Krzem to drugi najczęściej spotykany w skorupie ziemskiej pierwiastek. Czysty ma strukturę podobną do diamentu, wykorzystuje się go w dużych ilościach w elektronice. Zespół naukowców z Carnegie, pod przewodnictwem Timothy Strobela zsyntezował nową formę tego pierwiastka. Wyniki badań zostały opublikowane w Nature Materials [1].
Mimo tego, że krzem jest bardzo powszechny w dzisiejszej technologii, ma tzw. półprzewodnikową przerwę energetyczną, co uniemożliwia jego wykorzystanie w np. diodach elektroluminescencyjnych, tranzystorach wysokiej wydajności i niektórych ogniwach fotowoltaicznych.
Metale z łatwością przewodzą prąd elektryczny, podczas gdy niemetale są izolatorami. Półprzewodniki poddawane określonej energii mogą przesuwać związane z jądrem elektrony w kierunku większej energii do pasma przewodnictwa. Ta określona energia to tak zwana przerwa energetyczna. Materiały z prostą przerwą energetyczną mogą emitować i absorbować światło, a materiały z pośrednią przerwą nie (np. krzem o strukturze diamentu).
Aby krzem mógł być wykorzystywany do innych zastosowań, pośrednia przerwa musi zniknąć. Strobel i jego zespół – Carnegie’s Duck Young Kim, Stevce Stefanowski i Oleksandr Kurakevych zsyntezowali nową formę krzemu z quasi-bezpośrednią przerwą energetyczną.
Otrzymany krzem to forma alotropowa, co oznacza inny układ przestrzenny danego pierwiastka, tak jak w przypadku grafitu i diamentu, które są formami alotropowymi węgla. W odróżnieniu od konwencjonalnego krzemu o strukturze diamentu, otrzymana forma alotropowa to tzw. zeolit, składający się z wielu pierścieni krzemu (pięcio-, sześcio-, ośmioczłonowych) tworzących trójwymiarową siatkę.
Strukturę stworzono w procesie wysokociśnieniowym. W pierwszym etapie syntezowano pod wysokim ciśnieniem . Następnie obniżono ciśnienie do normalnej wartości i w tych warunkach całkowicie usunięto sód przez ogrzewanie. W rezultacie uzyskano czysty krzem ) posiadający pożądaną przerwę energetyczną, idealną do konwersji, absorpcji i emisji światła. jest stabilny pod ciśnieniem atmosferycznym do co najmniej 842˚F (czyli 450˚C).
„Wysokociśnieniowa synteza związków to zupełnie nowy sposób wytwarzania surowców energetycznych”, zauważa Strobel. „Korzystając z tego unikalnego sposobu możemy uzyskać nowe struktury rozwiązujące niektóre problemy z materiałami, ponieważ nasza metoda może być stosowana nie tylko do krzemu”.
„To doskonały przykład współpracy wiedzy teoretycznej z eksperymentalną”, powiedział Kim. „Zaawansowane teoretyczne rozważania na temat struktury elektronowej i działania praktyczne pozwoliły na stworzenie niezwykle perspektywicznego materiału. Metoda syntezy pod wysokim ciśnieniem może być rozszerzona do różnych materiałów, które być może będą miały równie ciekawe właściwości”.
- Duck Young Kim, Stevce Stefanoski, Oleksandr O. Kurakevych, Timothy A. Strobel. Synthesis of an open-framework allotrope of silicon. Nature Materials, 2014; DOI: 10.1038/nmat4140
- http://www.sciencedaily.com/releases/2014/11/141117130613.htm
Opracowała: Olga Polakowska
Korekta: Ilona Sadok
