Mezogözenekli silikon, düzensiz nanometre boyutunda gözeneklere sahip kristalin silikondur. Malzemenin çok büyük bir iç yüzey alanı vardır ve ayrıca biyouyumludur. Bu, biyosensörlerden pil anotlarına ve kapasitörlere kadar çok çeşitli uygulama seçenekleriyle sonuçlanır. Malzeme ayrıca termal yalıtım uygulamaları için ilginç olan olağanüstü düşük termal iletkenliğe sahiptir.

Taşımaya Ne Hakimdir?

Mezogözenekli silikon onlarca yıldır bilinmesine rağmen, yük taşıyıcılarının taşınması ve bu malzemede yük taşınmasında kafes titreşimlerinin (fononlar) olası katılımı hakkında temel bir anlayış şimdiye kadar eksikti. HZB'de Kuantum Malzemelerde Dinamikler ve Taşıma (QM-ADT) bölümünün başkanı olan Dr. Klaus Habicht, "Ancak, taşıma özelliklerini ve süreçlerini tam olarak anlamak, malzemeyi hedefli bir şekilde daha da geliştirmek için bir ön koşuldur," diyor.

Habicht ve ekibi şimdi bu analizi sundular. HZB'de optimize edilmiş bir aşındırma tekniği kullanarak bir dizi silikon nanoyapı sentezlediler ve sıcaklığa bağlı elektriksel iletkenliği ve termal kuvveti belirlediler.

Dalga Benzeri Elektron Durumları

Çalışmanın ilk yazarı Dr. Tommy Hofmann, "Ölçüm verilerini analiz ederek, yük taşınmasındaki temel süreci açıkça tanımlayabildik," diyor. Temel bulgu: "Yük taşınması, bir yerel durumdan diğerine sıçrayan düzensizlikle yerelleştirilmiş elektronlar tarafından değil, genişletilmiş, dalga benzeri durumlardaki elektronlar tarafından domine ediliyor." İletkenlik, artan düzensizlikle azalır. Yük taşıyıcılarını düzensizliğe bağlı bir "hareketlilik kenarı" üzerinden getirmek için gereken aktivasyon enerjisi artar.

Kafes Titreşimleri Hiçbir Rol Oynamaz

Bir sıçrama sürecinin aksine, kafes titreşimleri yük taşınmasında hiçbir rol oynamaz. Bu, özellikle, numunenin belirli bir yön boyunca bir sıcaklık farkına maruz bırakıldığında ortaya çıkan elektrik voltajının belirlendiği Seebeck etkisinin ölçümleriyle gösterilmiştir.

Dr. Tommy Hofmann, "Bu, düzensiz, nanoyapılı silikondaki mikroskobik yük taşıyıcı taşınması için güvenilir ve yeni bir açıklama sağladığımız ilk seferdir," diye açıklıyor.

Kübitler İçin Yalıtım Olarak Mezogözenekli Silikon

Bu sonuçlar pratik açıdan önemlidir, çünkü mezogözenekli silikon, silikon tabanlı kübitler için ideal olabilir. Bu kübitler düşük sıcaklık aralığında, genellikle 1 Kelvin'in altında çalışır ve ortamdan ısıyı emmemek ve kübitlerde depolanan bilgileri silmemek için çok iyi termal yalıtım gerektirir. Habicht, "Metaforik bir karşılaştırma kullanarak, mezogözenekli silikon ev inşaatındaki gibi bir tür yalıtım köpüğü olarak görülebilir" diyor.

Düzensizlik Kullanılabilir

Mezogözenekli silikonun kullanımı, kristalin veya polikristalin silikonun yüksek termal iletkenliği nedeniyle şimdiye kadar başarısız olan yarı iletken uygulamaları için de uygun olabilir. Habicht, "Düzensizlik hedefli bir şekilde kullanılabilir," diye vurguluyor. Bu nedenle, tamamen stokastik olarak dağıtılmış mezogözenekli yarı iletkenler, fotovoltaik, termal yönetim ve nanoelektronikten kuantum bilgisayarları için kübitlere kadar uzanan teknik uygulamalar için heyecan verici yeni bir malzeme sınıfı olacaktır.

KAYNAK: https://www.chemeurope.com/en/news/1185685/mesoporous-silicon-semiconductor-with-new-talents.html