Мезопористий кремній відкриває нові можливості у квантових технологіях та наноелектроніці завдяки унікальним транспортним властивостям електронів.
Мезопористий кремній – це особлива форма кристалічного кремнію, що містить безліч нанорозмірних пор, які кардинально змінюють його фізичні властивості. Завдяки величезній площі внутрішньої поверхні та низькій теплопровідності цей матеріал має значний потенціал для використання у біотехнологіях, енергетиці та квантових обчисленнях. Дослідники з HZB розробили новий метод контролю електропровідності та теплоємності мезопористого кремнію, що відкриває шлях до його цілеспрямованого застосування.
Фундаментальне розуміння механізмів транспорту носіїв заряду в мезопористому кремнії було відсутнє, що ускладнювало його практичне використання. «Щоб створювати матеріали з необхідними властивостями, потрібно розуміти, як у них відбувається перенесення заряду», – наголошує Прив. доц. Клаус Хабіхт (HZB). Команда HZB синтезувала серію наноструктурованих кремнієвих зразків і дослідила їхню електро- та теплопровідність при різних температурах. Це дозволило вперше описати поведінку електронів у таких наноструктурах.
Ключовим відкриттям стало те, що у мезопористому кремнії основну роль у перенесенні заряду відіграють електрони, які знаходяться у витягнутих, хвилеподібних станах. «Не хаотично локалізовані електрони, які перескакують між рівнями, а саме електрони у хвильових станах визначають електропровідність», – пояснює д-р Томмі Хофманн (HZB). Водночас, збільшення невпорядкованості структури знижує провідність, що свідчить про значну роль безладу в транспортних процесах.
Важливою особливістю мезопористого кремнію є те, що коливання атомної решітки (фонони) не впливають на механізм перенесення заряду. Це підтверджено аналізом ефекту Зеєбека, який дозволив визначити зміну електричної напруги під впливом температурного градієнта. Дослідники довели, що саме електронні стани, а не фононні процеси, визначають основні транспортні характеристики цього матеріалу.
«Ми вперше отримали надійне пояснення мікроскопічних механізмів транспорту заряду у невпорядкованому наноструктурованому кремнії», – підкреслює Хофманн.
Отримані результати мають значний практичний потенціал, особливо у сфері квантових обчислень. Кремнієві кубіти працюють при наднизьких температурах і потребують якісної теплоізоляції для запобігання втратам інформації.
«Мезопористий кремній можна порівняти з будівельною ізоляційною піною, що ефективно утримує тепло», – зазначає Хабіхт. Його застосування може значно покращити стабільність квантових систем.
Крім того, цей матеріал може стати основою для нових типів напівпровідникових пристроїв. Висока теплопровідність традиційного кремнію обмежувала його застосування у багатьох сферах, але «невпорядкованість мезопористого кремнію можна використовувати цілеспрямовано», – додає Хабіхт. Це відкриває перспективи для створення інноваційних рішень у фотовольтаїці, наноелектроніці та термоізоляційних технологіях.
Таким чином, дослідження HZB підтверджують, що контрольоване наноструктурування кремнію дозволяє суттєво змінювати його електрофізичні властивості. Це робить мезопористий кремній перспективним матеріалом для майбутніх технологій, від квантових комп’ютерів до новітніх напівпровідникових пристроїв.
