Ученые впервые рассчитали структуру металлического кремния, устойчивую при нормальном давлении

Группа исследователей из Корейского института передовых технологий (Южная Корея), возглавляемая Кай-Вей Чангом (Kai-Wei Chang), вычислила существование модификации структуры кремния, которая проводит электричество и даже переходит в сверхпроводящее состояние при атмосферном давлении.

Кремний существует во множестве модификаций строения, самая распространенная кристаллическая решетка — кубическая гранецентрированная, подобная алмазу. В кристалле кремния расстояние между атомами значительно больше, поэтому он относительно непрочен. Современная электроника использует кремний из-за полупроводниковых свойств, которые легко изменять добавками других элементов.

Помимо кубической решетки, кремний имеет множество метастабильных форм, однако ранее ученые считали, что металлический кремний существует только при значительном давлении. Чанг с коллегами показали возможность существования модификации, названной P6/mSi₆, которая достаточно стабильна при атмосферном давлении.

Метастабильные фазы кремния получают двумя методами: большим давлением с последующим резким снятием нагрузки или применением других веществ, которые затем удаляют из его структуры. Корейцы смоделировали комбинацию методов. Свойства соединений общей формулой NaSi_x (0,5 < х < 6) моделировали на сжатие до 200 тысяч атмосфер. Структура P6/m-NaSi₆, имеющая клатратное строение, оставалась стабильной и после снятия давления. Клатраты — соединения включения: атомы одного элемента расположены между атомами кристаллической решетки (в данном случае) другого элемента.

Моделирование термической дегазации при температуре в 600 Кельвинов «удалило» натрий с образованием ранее неизвестной структуры кремния P6/m-Si₆, устойчивой при атмосферном давлении. Как известно, в твердом теле существуют разрешенные и запрещенные энергетические зоны, их соотношение определяет проводимость материала. Исследователи рассчитали зонную структуру методом молекулярной динамики (интегрирование уравнений движения частиц) и определили, что модификация обладает свойствами металла, а не полупроводника. Также вычислили наличие сверхпроводимости при температуре до 12,2 Кельвина (для P6/m-NaSi₆ — 13,1 Кельвина), применяя теорию функционала плотности, то есть упростив многоэлектронную волновую функцию электронной плотностью.

Со временем кремний новой структуры вернется в состояние с обычной алмазоподобной решеткой как более устойчивой. Но при обычном давлении и температуре до 125 градусов Цельсия вещество, согласно вычислениям, стабильно для практического применения. Возможность использовать кремний со столь необычными для нормальных условий свойствами может быть полезна в электронной промышленности.