Neue kristalline Form von Silizium ermöglicht mehr technische Anwendungen

Silizium ist aus der modernen Elektronik kaum wegzudenken. Das kristalline Halbleitermaterial findet sich in Bauteilen von Sensoren bis hin zu komplexen Computerchip. Er wird außerdem in den meisten Solarzellen verwendet. Forschern ist es nun gelungen, Silizium in eine neue Kristallstruktur zu bringen. Dies ermöglicht nicht nur deutlich mehr technische Anwendungen, sondern erlaubt es auch erstmals, den kristallinen Halbleiter statt in einer dünnen Schicht in einem großen Kristall zu erzeugen.

Hexagonales Silizium in Kristallform

Das Besondere an Silizium ist, dass die elektronischen Eigenschaften des Materials durch Dotierung des Kristallgitters mit Fremdatomen quasi bezogen auf den Anwendungsfall anzupassen und zu optimieren. Dies hat jedoch Grenzen. In der kristallinen Struktur von Silizium sind das Leitungs- und das Valenzband gegeneinander versetzt, es entsteht eine indirekte Bandlücke. Silizium ist daher ein eher ineffektiver Lichtemitter und kann nicht als Laser genutzt werden. Es gibt Versuche, Silizium mit einer hexagonalen Struktur herzustellen, was bisher allerdings lediglich in sehr dünnen Schichten gelang.

Ein Team um rund um Thomas Shiell von der Carnegie Institution in Washington DC hat dies nun geändert. Die Forscher konnten erstmals größere dreidimensionale Siliziumkristalle mit einer hexagonalen Struktur züchten. Als Ausgangspunkt nutzten sie ein vor wenigen Jahren entdecktes Allotrop – eine besondere Strukturvariante des Siliziums. Dieses Si24-Allotrop kann durch Erhitzen und weitere Schritte in hexagonales Silizium umgewandelt werden.

Als Ergebnis entsteht Silizium mit einer hochgradig geordneten Struktur. „Unser metastabiler Umwandlungsweg eröffnet eine neue Route, um massive 4H-Siliziumkristalle zu erzeugen – anders als bisherigen Transformationswege, die nur nanokristalline, ungeordnete Materialien ergaben„, so die Forscher.

Mehr Anwendungsgebiete für Silizium

„Das Interesse an hexagonalem Silizium reicht schon bis in die 1960er Jahre zurück, weil es steuerbare elektronische Eigenschaften aufweist, die weit bessere Leistungen als die kubische Form ermöglichen„, erläutert Timothy Strobel, der an der Entdeckung beteiligt war. Hexagonales Silizium ist etwa ein effektiverer Lichtemitter als die herkömmliche Form. Nach Angaben der Forscher können so neue Anwendungsgebiete für das Halbleitermaterial eröffnet werden.

„Die Entdeckung der kompakten 4H-Siliziumkristalle öffnet uns die Tür zu spannenden Forschungsansätzen, mit denen wir die optischen und elektronischen Eigenschaften des Materials kontrollieren können. Wir können unsere Methode nutzen, um aus Kristallkeimen große Volumen der 4H-Struktur zu züchten, deren Merkmale die des klassischen kubischen Siliziums übertreffen„, erklärt Shiell.

via Carnegie Institution for Science