Кремний, занимающий второе место по распространенности на Земле, играет ключевую роль в нашей повседневной жизни. От смартфонов до кардиостимуляторов, чипы на основе кремния являются неотъемлемой частью многих электронных устройств. Кроме того, кремний активно используется в производстве фотоэлектрических элементов, преобразующих солнечный свет в электричество.
Однако атомная структура кремния ограничивает его способность проводить электричество, что замедляет работу компьютеров и снижает эффективность солнечных панелей. В связи с этим возникает необходимость поиска подходящей замены кремнию, чтобы электронные устройства стали быстрее, дешевле и компактнее.
Модифицированный кремний как потенциальное решение
Несмотря на то что в течение многих лет предлагались различные элементы и соединения, сегодня становится очевидным, что решение может быть найдено в самом кремнии. Модифицированный кремний, обладающий определенными свойствами, мог бы, так сказать, «заменить сам себя».
Кремний может принимать несколько форм (или аллотропов), некоторые из которых могут стать настоящей революцией в области электроники и солнечных батарей.
Проблемы и ограничения современных кремниевых устройств
Кремний относится к полупроводниковым материалам, электропроводящие свойства которых находятся где-то между металлическими проводниками и изоляторами. В компьютерном чипе достаточно небольшого напряжения, чтобы переключить состояние кремния с проводника на изолятор. Это позволило создавать двоичную цифровую информацию с использованием единиц и нулей.
Эта способность контролировать поток электронов, наряду с его низкой стоимостью, стабильностью и высокой доступностью, сделала кремний наиболее подходящим материалом для электронных устройств на протяжении более шестидесяти лет.
Однако, как заявил Лью Ян Вун, физик-полупроводник из Цитадели, Военный колледж Южной Каролины, Чарльстон, электронные устройства на основе кремниевых чипов уже достигли своего рабочего пика, а скорость процессоров за последнее десятилетие более или менее стагнирует.
Когда дело доходит до солнечных панелей, перспективы кремния еще меньше. Это связано с тем, что кремний не очень хорошо поглощает свет. Согласно квантовой механике, электроны должны занимать один из ряда четко определенных энергетических уровней. Электроны на более низких энергетических уровнях остаются связанными со своими отдельными атомами. Электроны на более высоких уровнях движутся свободно, что позволяет им проводить ток через материал.
В металлах, таких как медь, энергетические уровни атомов перекрываются, так что электроны могут постоянно свободно перемещаться. В полупроводниках, таких как кремний, электроны необходимо «подталкивать», чтобы достичь более высокого энергетического уровня.
В чипе энергия, необходимая для преодоления этой «запрещенной зоны» и, таким образом, выработки электроэнергии, может подаваться путем подачи внешнего напряжения. В фотоэлектрических элементах эта энергия поступает в виде фотонов света.
Некоторые части спектра, такие как инфракрасный свет, не обеспечивают достаточной мощности, в то время как другие части спектра обеспечивают слишком много энергии. Это означает, что около половины солнечного света тратится впустую.
И это ещё не всё. Кремний, используемый в качестве полупроводника, обладает особенностью, при которой для перехода электронов на более высокий энергетический уровень требуется точное соответствие импульса. Это усложняет процесс и делает менее вероятным. В результате, эффективность кремниевых солнечных панелей оказывается не такой высокой.
Альтернативные полупроводниковые материалы
Прямые полупроводники, в отличие от кремния, имеют, например, теллурид кадмия и арсенид галлия. Однако у этих материалов есть и свои недостатки – элементы, из которых они состоят, дорогие или токсичные, и если их не обрабатывать безопасно, они представляют опасность для окружающей среды.
Кремний на службе у компьютеров
Поиск замены кремнию в компьютерных чипах сталкивается с проблемами. Уже потрачены значительные средства на графен - материал, который не только превосходит сталь по прочности и легкости, но и способен переносить электроны по всей своей поверхности со скоростью, значительно превышающей скорость кремния.
Однако графен сложно производить в необходимых объемах. К тому же, он не функционирует как полупроводник. Идеальным решением было бы преобразовать обычный кремний, который нетоксичен, легко доступен и уже имеет свою промышленную базу, в материал с лучшими свойствами других материалов. Это показывает, что такое преобразование кремния возможно.
Кремний тоже может это сделать
Свойства элементов сильно различаются в зависимости от расположения отдельных атомов. Например, графен представляет собой двумерную решетку углерода. Различное расположение атомов углерода порождает разные формы: то блестящий алмаз, то матовый графит для производства карандашей.
Такие различные формы, или аллотропные модификации, не ограничиваются углеродом. Кремний тоже может это сделать. В нормальных условиях атомы кремния образуют в основном алмазоподобное кубическое расположение. Известно, что существует целый десяток альтернатив кремнию, каждая из которых обладает уникальными и потенциально полезными свойствами.
Улучшение свойств кремния
Тимоти Стробел из Института Карнеги в Вашингтоне входит в число исследователей, работающих над воплощением кремниевых мечтаний в реальность. В 2014 году он и его коллеги объявили, что им удалось создать первую новую аллотропную модификацию кремния, которая может преодолеть проблему запрещенной зоны, просто сжимая ее. Открытие произошло почти случайно: ученые сжали элементарный кремний и натрий вместе, чтобы сформировать блестящий голубоватый кристалл под названием Na4Si24.
Они хотели измерить электрическое сопротивление этого соединения. Для получения точных данных электроды приходилось прикреплять к кристаллу с помощью клея, который требовал нагрева. Они поместили материал в печь и измерили сопротивление. Но результаты оказались неожиданными.
Данные показали, что температуры всего 40 °C были достаточны для удаления ионов натрия из структуры и изменения электрических свойств. Это был неожиданный результат, так как подобные соединения образуют сети кремниевых клеток, из которых более мелкие атомы натрия не могут вырваться наружу даже при высоких температурах.
Но вместо клеток соединение Na4Si24 создавало коридоры, которые позволяли ионам натрия выходить наружу по мере повышения температуры. При нагревании до 100 °C количество натрия упало до менее чем одного атома на тысячу, создав действительно новую аллотропную модификацию кремния Si-24.
Прогресс в солнечной энергетике
Новый материал, близкий к материалу с возможностью прямого перехода запрещенной зоны, открывает новые горизонты для солнечной энергетики. Это позволит создавать более эффективные солнечные элементы, поскольку больше энергии будет достигать движущихся электронов напрямую.
Аллотропная модификация кремния Si24, которую можно производить в больших масштабах, может преобразовывать до 33% солнечной энергии в электричество, что значительно превышает текущий уровень в 25%. Джулия Галли из Чикагского университета обнаружила, что наночастицы аллотропа кремния под названием BC8 могут преобразовать до 42% солнечного света в электричество.
Роль силицена
В феврале 2015 года Деджи Акинванде из Техасского университета в Остине создал первый функциональный транзистор из силицена, одной из самых экзотических форм кремния. Силицен, подобно графену, обладает многими желательными свойствами благодаря своей двумерной структуре.
Несмотря на то, что структура силицена деформируется, его ячеистая гексагональная структура содержит дополнительные несвязанные электроны, которые могут двигаться быстрее, чем в кубической решетке обычного кремния. Это уменьшает тепловыделение и позволяет разместить больше транзисторов в одном пространстве.
Перспективы исследований
Несмотря на то, что это только начало исследований, первый работающий транзистор уже является подтверждением принципа. Однако есть еще ряд препятствий, которые нужно преодолеть, прежде чем эти новые транзисторы смогут появиться в смартфонах.
Например, двумерность силицена, которая позволяет достигать высоких скоростей электронов, приводит к его быстрому распаду. Поэтому транзистор работал всего несколько минут. Кроме того, процесс изготовления сложен и требует вакуумного оборудования и специальных знаний. Но то, что силиценовый транзистор работал, пусть и непродолжительное время, уже является значительным прорывом.
Перспективы использования аллотропных модификаций кремния
Аллотропные модификации BC8 и Si24, обладающие свойством прямого перехода, могут стать ключевыми элементами в развитии будущей электроники. Их использование может открыть путь к интеграции оптических и электронных компонентов в единый чип, что сегодня представляется мечтой.
Такой гибридный чип мог бы передавать сигналы как с помощью света, так и с помощью электронов, что значительно увеличило бы скорость и объем передаваемых данных.
Однако, несмотря на перспективность этих идей, еще слишком рано делать точные прогнозы о том, как новые формы кремния будут использоваться на практике.
Около десяти лет назад профессиональное сообщество с большим интересом отнеслось к возможностям квантовых точек - крошечных кристаллов обычного кремния, в которых квантовая механика сильно проявляется в увеличении поглощения света. Однако, поскольку никому не удалось заставить их производить электроэнергию, интерес к ним заметно снизился.
Если структуры, такие как силицен, BC8 и Si24, окажутся пригодными для производства солнечных батарей и чипов, это усилит веру в дальнейшее использование кремния.
Автор: Tien Nguyen: Super silicon bros. New Scientist, 2015, No 3048, стр. 30-41