Výzkumníci objevili novou formu křemíku s vysokou hustotou a zvládli proces leptání bez katalyzátorů, který umožňuje vyrábět ultra malé křemíkové nanodrátky o průměru dvou až pěti nanometrů.
Moneesh Upmanyu, Joon Jung a jejich kolegové z bostonské Northeastern University a dalších institucí si původně mysleli, že látka vznikající několikastupňovým procesem z křemíkových waferů není vůbec křemík. Materiál byl proti běžnému křemíku stlačený o 10–20 %, přičemž dosavadní pokusy s křemíkem vedly k závěru, že by v tomto stavu vůbec neměl být stabilní. Autoři nové studie se domnívají, že stlačenou formu dokáže stabilizovat tenká vrstva oxidu křemičitého na jeho povrchu.
Tradiční křemík však nevydrží vysoké teploty, a proto je omezen na aplikace s nižším výkonem. Jeho zakázaný pás má šířku 1,11 elektronvoltu; naopak nová forma mnohem víc, až 4,16 eV. Křemíkové nanodrátky vyrobené z tohoto materiálu proto dokážou dosavadní omezení křemíkové elektroniky překonat a mj. pracovat na vyšších frekvencích. Na rozdíl od běžného křemíku je nový materiál vysoce odolný vůči oxidaci a také může fotoluminiscenčně vyzařovat modré a fialové světlo. Jako možné využití se uvádějí diody LED, radary, armádní komunikace nebo solární články; ty by díky větší šířce zakázaného pásu měly dokázat pro výrobu elektřiny využívat i energii ultrafialové části spektra. Protože voda pohlcuje infračervené a červené spektrum, solární články na bázi křemíkových nanodrátků by mohly fungovat i pod vodou. Zmíněno je rovněž jejich možné využití v technologiích baterií; navíc je lze dopovat dalšími prvky a získat materiály s vlastnostmi vyladěnými na míru dalším aplikacím. Díky velmi malým rozměrům nanodrátků v nich lze také manipulovat s různými kvantovými jevy, takže jako možná aplikace se potenciálně nabízí i kvantové zpracování informací.
Výzkumníci rovněž vyvinuli novou metodu výroby křemíkových nanodrátků, tzv. chemické leptání z par, která místo pěstování krystalů materiál odstraňuje (viz obrázek). Díky tomu mohou vyrábět nanodrátky, které jsou 10 až 20krát menší než ty, které se dnes komerčně používají. Výroba se také objede bez katalyzátorů; v současnosti používané nanodrátky mají ten problém, že se na ně katalyzátor může nalepit, což zhoršuje vlastnosti drátku (a totéž v menší míře platí i pro metody, které pak katalyzátor odstraňují, naruší se přitom povrch atd.).
Dále je v plánu vůbec lépe pochopit fyziku a chemii nové formy křemíku a optimalizovat proces leptání tak, aby jeho výsledkem byl hladší povrch drátků.
Sen Gao et al, Catalyst-free synthesis of sub-5 nm silicon nanowire arrays with massive lattice contraction and wide bandgap, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31174-x
Zdroj: Northeastern University / Phys.org
Postup přípravy křemíkových nanodrátků v několika krocích. Kredit: Yung Joon Jung a Moneesh Upmanyu, Northeastern University
