Los Científicos Sintetizan Una Forma Completamente Nueva De Silicio

Los científicos sintetizan una nueva forma de silicio

Este nuevo alótropo de silicio de tipo zeolita (isotípico con la zeolita CAS) tiene un marco abierto compuesto por anillos de silicio con enlaces sp3 de 5, 6 y 8 miembros. La imagen es cortesía de Timothy Strobel.

Usando un novedoso proceso precursor de alta presión, los científicos de la Carnegie Institution for Science han sintetizado una forma completamente nueva de silicio.

Washington, DC – El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre. Cuando se purifica, adquiere una estructura de diamante, que es esencial para los dispositivos electrónicos modernos: el carbono es para la biología como el silicio para la tecnología. Un equipo de científicos de Carnegie dirigido por Timothy Strobel ha sintetizado una forma completamente nueva de silicio, una que promete aplicaciones futuras aún mayores. Su trabajo se publica en Nature Materials.

Aunque el silicio es increíblemente común en la tecnología actual, sus denominadas propiedades semiconductoras de banda prohibida indirecta impiden que se lo considere para aplicaciones de alta eficiencia de próxima generación, como diodos emisores de luz, transistores de alto rendimiento y ciertos dispositivos fotovoltaicos.

Las sustancias metálicas conducen la corriente eléctrica con facilidad, mientras que los materiales aislantes (no metálicos) no conducen ninguna corriente. Los materiales semiconductores exhiben una conductividad eléctrica de rango medio. Cuando los materiales semiconductores se someten a una entrada de una energía específica, los electrones unidos pueden moverse a estados conductores de mayor energía. La energía específica requerida para hacer este salto al estado de conducción se define como la “banda prohibida”. Mientras que los materiales con banda prohibida directa pueden absorber y emitir luz de manera efectiva, los materiales con banda prohibida indirecta, como el silicio con estructura de diamante, no pueden.

Para que el silicio sea más atractivo para su uso en nuevas tecnologías, es necesario modificar su banda prohibida indirecta. Strobel y su equipo, Duck Young Kim de Carnegie, Stevce Stefanoski y Oleksandr Kurakevych (ahora en Sorbonne), pudieron sintetizar una nueva forma de silicio con una banda prohibida casi directa que se encuentra dentro del rango deseado para la absorción solar, algo que ha nunca antes logrado.

El silicio que crearon es un llamado alótropo, que significa una forma física diferente del mismo elemento, de la misma manera que los diamantes y el grafito son ambas formas de carbono. A diferencia de la estructura de diamante convencional, este nuevo alótropo de silicio consiste en un interesante marco abierto, llamado estructura de tipo zeolita, que se compone de canales con anillos de silicio de cinco, seis y ocho miembros.

Lo crearon utilizando un novedoso proceso precursor de alta presión. Primero, se formó un compuesto de silicio y sodio, Na4Si24, en condiciones de alta presión. A continuación, este compuesto se recuperó a presión ambiente y el sodio se eliminó por completo calentando al vacío. El alótropo de silicio puro resultante, Si24, tiene la banda prohibida ideal para la tecnología de conversión de energía solar, y puede absorber, y potencialmente emitir, luz de forma mucho más eficaz que el silicio convencional con estructura de diamante. Si24 es estable a presión ambiental de al menos 842 grados Fahrenheit (450 grados Celsius ).

“La síntesis de precursores a alta presión representa una frontera completamente nueva en materiales energéticos novedosos”, comentó Strobel. “Usando la herramienta única de alta presión, podemos acceder a estructuras novedosas con potencial real para resolver los desafíos de los materiales en pie. Aquí demostramos propiedades previamente desconocidas para el silicio, pero nuestra metodología es fácilmente extensible a clases de materiales completamente diferentes. Estas nuevas estructuras permanecen estables a la presión atmosférica, por lo que las estrategias de escalado de mayor volumen pueden ser completamente posibles “.

“Este es un excelente ejemplo de colaboración experimental y teórica”, dijo Kim. “La teoría y el experimento de la estructura electrónica avanzada han convergido para ofrecer un material real con perspectivas interesantes. Creemos que la investigación de alta presión se puede utilizar para abordar los desafíos energéticos actuales, y ahora estamos extendiendo este trabajo a diferentes materiales con propiedades igualmente interesantes ”.

Este trabajo fue apoyado DARPA y Energy Frontier Research in Extreme Environments (EFree), un Centro de Investigación Energy Frontier financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

Publicación : Duck Young Kim, et al., “Síntesis de un alótropo de silicio de marco abierto”, Nature Materials (2014); doi: 10.1038 / nmat4140

Imagen: Timothy Strobel

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