انقلابی جدید در دنیای سیلیکون با ساخت نوع جدیدی از آن

عنصر سیلیکون علاوه بر مواردی که تاکنون گفته شد در سازه‌های ساختمانی، سرامیک‌ها و حتی امپلنت‌های درون بدن نیز به کار می‌رود. به لطف یافته‌ی جدید تیمی از دانشمندان Carnegie که آلوتروپ- به معنای ساختار فیزیکی متفاوت- جدیدی با ساختار شیمیایی Si24 از این ماده را ساخته‌اند کاربردهای این ماده گسترده‌تر خواهد شد.

ساختار الماس گونه‌ی سیلیکون که به طور معمول در کاربردهای فنی به کار می‌رود ویژگی نیمه رسانندگی خاصی دارد که به آن شکاف نوار غیر مستقیم می‌گویند و در مقابل ویژگی شکاف نوار مستقیم قرار می‌گیرد. در حقیقت یک ماده با شکاف نوار مستقیم عنصری است که جزعی برای برانگیختگی الکترون نیاز دارد؛ یکی خود الکترون و دیگری یک فوتون با انرژی مناسب جهت برانگیزاندن آن الکترون؛ اما مواد غیر مستقیم به یک جزء دیگر نیز نیاز دارند که آن لرزش شبکه است که به آن فنون نیز گفته می‌شود. علت این ویژگی این است که حالت انرژی بیشینه و کمینه در این مواد – مواد غیرمستقیم- که الکترون‌ها با براگیخته شدن در آن‌ها قرار می‌گیرد از تکانه‌های متفاوتی بر خورداند در نتیجه الکترون علاوه بر جابه جا شدن در سطح انرژی باید مومنتون کافی را نیز داشته باشد که برای برخی از کاربردها نامطلوب به شمار می‌آید.

برای ساخت Si24 ابتدا ترکیبی چندبلوری از Na4Si24 و سیلیکون با کمک یک کپسول تانتالیوم تولید شد که در دما و فشار (تا حدود 10 گیگا پاسکال) بسیار بالایی قرار داشت. این محصول سپس در خلا و در دما 400 کلوین برای مدت 8 روز گاززدایی شد تا پس از آن محصول Si24 که ساختاری زئولیت شکل داشت به دست آمد.

شکل جدید سیلیکون که شکاف نوار شبه مستقیمی (به معنای وجود اختلاف تکانه‌ی بسیار اندک نسبت به سیلیکون‌های پیشین) دارد نه تنها می‌تواند الکتریسیته را با بازده بالاتری هدایت کند، بلکه می‌تواند نور را تابانده یا جذب کند که پیش از امکان پذیر نبود. این ویژگی می‌تواند برای کاربردهایی همچون ساخت LED‌ها یا سلول‌های خورشیدی بسیار مفید باشد.

شکل ساختاری جدید از حلقه‌هایی 5، 6 و 8 عضوی از سیلیکون تشکیل شده است که اتم‌های کوچک مولکول‌ها می‌توانند در آن پخش شوند که احتمالا در کاربردهایی همچون ذخیره‌ی انرژی یا فیلتراسیون در سطح مولکولی بسیار مفید خواهند بود.

البته Si24 تنها قله‌ی کوه یخی است که می‌توان در فشار‌های بالا ساخت و به نظر دانشمندان با قرار گرفتن در فشار‌های بالا در ساخت مواد می‌توان به موادی بسیار متفاوت و مفید دست یافت که ویژگی‌های منحصربفردی را نیز ارایه می‌کنند. البته پایداری این ماده در فشارهای پایین این نوید را می‌دهد که می‌توان به زودی با استفاده از روش‌های فشار پایینی همچون رسوب بخارهای شیمیایی نیز چنین موادی را ساخت.

نتیجه‌ی این پژوهش در نشریه‌ی علمی Nature Materials به چاپ رسیده است.