Mesoporeus silicium: etstechniek onthult unieke elektronische transporteigenschappen

Silicium is het bekendste halfgeleidermateriaal. Gecontroleerde nanostructurering verandert echter de eigenschappen van het materiaal drastisch. Met behulp van een speciaal ontwikkeld etsapparatuur heeft een team bij HZB nu mesoporeuze siliciumlagen geproduceerd met talloze kleine poriën en hun elektrische en thermische geleidbaarheid onderzocht.

Voor het eerst hebben de onderzoekers het elektronische transportmechanisme in dit mesoporeuze silicium opgehelderd. Het materiaal heeft een groot potentieel voor toepassingen en kan ook worden gebruikt om qubits thermisch te isoleren voor kwantumcomputers. Het werk is gepubliceerd in Kleine structuren.

Mesoporeus silicium is kristallijn silicium met ongeordende poriën ter grootte van nanometer. Het materiaal heeft een enorm intern oppervlak en is ook biocompatibel. Dit opent een breed scala aan potentiële toepassingen, van biosensoren tot batterijanodes en condensatoren. Bovendien suggereert de uitzonderlijk lage thermische geleidbaarheid van het materiaal dat toepassingen als thermische isolator suggereren.

Inzicht in transporteigenschappen in siliciumnanostructuren

Hoewel mesoporeus silicium al tientallen jaren bekend is, is er tot nu toe een gebrek aan fundamenteel begrip van het transport van ladingsdragers en de mogelijke betrokkenheid van roostertrillingen (phonons). “Om het materiaal op een gerichte manier te ontwikkelen, is echter een nauwkeurig begrip van de transporteigenschappen en -processen vereist”, zegt Priv. Doz. Dr. Klaus Habicht, die de dynamiek en transport in Quantum Materials (QM-ADT) afdeling op HZB leidt.

Habicht en zijn team hebben nu nieuwe inzichten gepresenteerd. Ze synthetiseerden een reeks siliciumnanostructuren met behulp van een etstechniek die is geoptimaliseerd bij HZB en bepaalden de temperatuurafhankelijke elektrische geleidbaarheid en thermopower.

Elektronen in golfachtige toestanden domineren het transport

“Door de gegevens te analyseren, konden we het fundamentele laadtransportproces ondubbelzinnig identificeren”, zegt Dr. Tommy Hofmann, eerste auteur van de studie. De belangrijkste bevinding: “Het zijn niet de elektronen, gelokaliseerd door wanorde, die van de ene gelokaliseerde staat naar de volgende springen die het transport van lading domineren, maar die in uitgebreide, golfachtige toestanden.”

In dit geval neemt de geleidbaarheid af met toenemende stoornis. De activeringsenergie die nodig is om ladingsdragers over een aandoening-afhankelijke ‘mobiliteitsrand’ te verplaatsen, neemt toe.

In tegenstelling tot een hoppingsproces, spelen roostertrillingen geen rol bij het transport van ladingen. Dit was met name duidelijk uit metingen van het Seebeck -effect, die de elektrische spanning over een monster onderzoeken wanneer deze wordt blootgesteld aan een temperatuurverschil langs een gedefinieerde richting.

“Dit is de eerste keer dat we een betrouwbare en nieuwe verklaring hebben gegeven voor het microscopische ladingsdrager transport in wanordelijke, nanostructureerde silicium”, zegt Dr. Tommy Hofmann.

Vele toepassingen

Deze resultaten zijn zeer relevant voor praktische toepassingen, omdat mesoporeus silicium ideaal kan zijn voor qubits op basis van siliconen. Deze qubits werken bij cryogene temperaturen, meestal onder 1 kelvin, en vereisen een zeer goede thermische isolatie om te voorkomen dat warmte uit de omringende omgeving wordt geabsorbeerd en de informatie die in de qubits is opgeslagen te wissen.

“Om een ​​metafoor te gebruiken, zou je mesoporeus silicium kunnen beschouwen als een soort isolerend schuim dat wordt gebruikt in de bouw van de bouw”, zegt Habicht.

Het gebruik van mesoporeus silicium kan ook geschikt zijn voor halfgeleidertoepassingen die tot nu toe zijn mislukt vanwege de hoge thermische geleidbaarheid van kristallijn of polykristallijn silicium. “De aandoening kan op een gerichte manier worden gebruikt”, zegt Habicht.

Halfgeleiders met puur willekeurig verdeelde mesoporiën zouden een opwindende nieuwe klasse materialen zijn voor technische toepassingen, variërend van fotovoltaïscheërs, thermisch beheer en nano -elektronica tot qubits voor kwantumcomputers.