Mesohuokoinen pii: ainutlaatuiset elektroniset kuljetusominaisuudet

Pii on tunnetuin puolijohdemateriaali. Hallittu nanostrukturointi muuttaa kuitenkin materiaalin ominaisuuksia radikaalisti. HZB:n tiimi on nyt valmistanut mesohuokoisia piikerroksia, joissa on lukemattomia pieniä huokosia, ja tutkinut niiden sähkö- ja lämmönjohtavuutta käyttämällä erityisesti kehitettyä etsauslaitetta.

Ensimmäistä kertaa tutkijat selvittivät tämän mesohuokoisen piin elektronisen kuljetusmekanismin. Materiaalilla on suuri sovelluspotentiaali, ja sitä voitaisiin käyttää myös kvanttitietokoneiden kubittien lämpöeristykseen.

Mesohuokoinen pii on kiteistä piitä, jossa on epäjärjestyneet nanometrin kokoiset huokoset. Materiaalilla on valtava sisäpinta-ala ja se on myös bioyhteensopiva. Tämä avaa laajan valikoiman potentiaalisia sovelluksia biosensoreista akkuanodeihin ja kondensaattoreihin. Lisäksi materiaalin poikkeuksellisen alhainen lämmönjohtavuus viittaa sovelluksiin lämmöneristeenä.

Vaikka mesohuokoinen pii on ollut tiedossa jo vuosikymmeniä, tähän asti on ollut puutteellista perustavanlaatuista ymmärrystä varauksenkuljettajien kulkeutumisesta ja mahdollisesta hilavärähtelyjen (fononien) osallisuudesta. "Materiaalin kohdennettu kehittäminen edellyttää kuitenkin tarkkaa ymmärrystä kuljetusominaisuuksista ja prosesseista", sanoo Dr. Klaus Habicht.

"Analysoimalla dataa pystyimme yksiselitteisesti tunnistamaan perustavanlaatuisen varausten kuljetusprosessin", sanoo Dr. Tommy Hofmann. Keskeinen havainto: "Toisin kuin perinteisessä piissä, tämän materiaalin varauksensiirtoa hallitsevat elektronit laajemmissa, aaltomaisissa oloissa paikallisen hyppimisen sijaan."

Toisin kuin hyppyprosessissa, hilavärähtelyillä ei ole merkitystä varauksen kuljetuksessa. Tämä oli erityisen ilmeistä Seebeck-ilmiön mittauksista, jotka mittaavat näytteen sähköjännitettä, kun se altistuu lämpötilaerolle tietyssä suunnassa.

"Tämä on ensimmäinen kerta, kun olemme antaneet luotettavan ja uudenlaisen selityksen mikroskooppiselle varauksenkantajien kuljetukselle epäjärjestyneessä, nanorakenteisessa piissä", sanoo tohtori Tommy Hofmann.

Nämä tulokset ovat erittäin tärkeitä käytännön sovelluksissa, koska mesohuokoinen pii voisi olla ihanteellinen piipohjaisille kubiteille. Nämä kubitit toimivat kryogeenisissä lämpötiloissa, tyypillisesti alle 1 Kelvinissä, ja vaativat erittäin hyvän lämmöneristyksen estääkseen ympäröivän ympäristön lämmön imeytymisen ja kubitteihin tallennettujen tietojen pyyhkimisen.

Mesohuokoisen piin käyttö voi sopia myös puolijohdesovelluksiin, jotka ovat tähän mennessä epäonnistuneet kiteisen tai monikiteisen piin korkean lämmönjohtavuuden vuoksi. "Epäjärjestystä voidaan käyttää kohdistetusti", Habicht sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Q-piin löytö tuo lisäpotkua kvanttilaskennalle

Vahvoja, huokoisia ja ohuita puolijohteita