1367
Мезопористый кремний открывает новые возможности в квантовых технологиях и наноэлектронике благодаря уникальным транспортным свойствам электронов.
Мезопористый кремний – это особая форма кристаллического кремния, содержащая множество наноразмерных пор, кардинально изменяющих его физические свойства. Благодаря огромной площади внутренней поверхности и низкой теплопроводности, этот материал имеет значительный потенциал для использования в биотехнологиях, энергетике и квантовых вычислениях. Исследователи из HZB разработали новый метод контроля электропроводности и теплоемкости мезопористого кремния, открывающего путь к его целенаправленному применению.
Фундаментальное понимание механизмов транспорта носителей заряда в мезопористом кремнии отсутствовало, что усложняло его практическое использование. Чтобы создавать материалы с необходимыми свойствами, нужно понимать, как у них происходит перенос заряда., – отмечает Прив. доц. Клаус Хабихт (HZB). Команда HZB синтезировала серию наноструктурированных кремниевых образцов и исследовала их электро- и теплопроводность при разных температурах. Это позволило впервые описать поведение электронов в таких наноструктурах.
Ключевым открытием стало то, что в мезопористом кремнии основную роль в переносе заряда играют электроны, находящиеся в вытянутых, волнообразных состояниях. «Не хаотично локализованные электроны, перескакивающие между уровнями, а именно электроны в волновых состояниях определяют электропроводность»– объясняет д-р Томми Хофманн (HZB). В то же время увеличение неупорядоченности структуры снижает проводимость, что свидетельствует о значительной роли беспорядка в транспортных процессах.
Важной особенностью мезопористого кремния является то, что колебания атомной решетки (фононы) не влияют на механизм переноса заряда. Это подтверждено анализом эффекта Зеебека, позволившего определить изменение электрического напряжения под влиянием температурного градиента. Исследователи доказали, что именно электронные состояния, а не фононные процессы определяют основные транспортные характеристики этого материала.
Полученные результаты имеют значительный практический потенциал, особенно в области квантовых вычислений. Кремниевые кубиты работают при сверхнизких температурах и требуют качественной теплоизоляции для предотвращения потерь информации.
Кроме того, этот материал может стать основой новых типов полупроводниковых устройств. Высокая теплопроводность традиционного кремния ограничивала его применение во многих областях, но «неупорядоченность мезопористого кремния можно использовать целенаправленно», – добавляет Хабихт. Это открывает перспективы создания инновационных решений в фотовольтаике, наноэлектронике и термоизоляционных технологиях.
Таким образом, исследования HZB подтверждают, что контролируемое наноструктурирование кремния позволяет существенно изменять его электрофизические свойства. Это делает мезопористый кремний перспективным материалом для будущих технологий, от квантовых компьютеров до новейших полупроводниковых устройств.
