Ученые впервые рассчитали структуру металлического кремния, устойчивую при нормальном давлении

Корейские ученые вычислили структуру кремния, обладающую сверхпроводящими свойствами и устойчивую при обычных давлении и температуре

2 936
Выбор редакции

Ученые впервые рассчитали структуру металлического кремния, устойчивую при нормальном давлении

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 NaSix (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.

 

Кристаллическая структура P6/m-NaSi<sub>6</sub> и P6/m-Si<sub>6</sub> / © Physical Review Letter
Кристаллическая структура P6/m-NaSi6 и P6/m-Si6 / © Physical Review Letter

 

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.

Наука

Naked Science Facebook VK Twitter
2 936

Комментарии

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку