摘要：硅是最著名的半导体材料。然而，受控纳米结构会彻底改变材料的特性。HZB 的一个团队利用专门开发的蚀刻设备，生产出具有无数微小孔隙的介孔硅层，并研究了它们的电导率和热导率。

硅是最著名的半导体材料。然而，受控纳米结构会彻底改变材料的特性。HZB 的一个团队利用专门开发的蚀刻设备，生产出具有无数微小孔隙的介孔硅层，并研究了它们的电导率和热导率。

研究人员首次阐明了这种介孔硅中的电子传输机制。该材料具有巨大的应用潜力，还可用于量子计算机的量子比特隔热。该成果发表在《Small Structures》上。

介孔硅是一种具有无序纳米级孔隙的晶体硅。该材料具有巨大的内部表面积，并且具有生物相容性。这开辟了从生物传感器到电池阳极和电容器等广泛的潜在应用。此外，该材料的导热性极低，可用作热绝缘体。

了解硅纳米结构的传输特性

尽管介孔硅已被人们熟知数十年，但迄今为止，人们对于载流子的传输以及晶格振动（声子）的可能参与仍然缺乏基本的了解。“然而，为了有针对性地开发这种材料，需要精确了解传输特性和过程，”HZB 量子材料动力学与传输 (QM-ADT) 部门负责人 Klaus Habicht 博士说。

Habicht 和他的团队现在提出了新的见解。他们使用在 HZB 优化的蚀刻技术合成了一系列硅纳米结构，并确定了随温度变化的电导率和热电势。

波态电子主导传输

“通过分析数据，我们能够明确识别基本的电荷传输过程，”这项研究的第一作者 Tommy Hofmann 博士说。关键发现是：“主导电荷传输的不是无序局域化的电子，它们从一个局域状态跳转到另一个局域状态，而是那些处于扩展的波状状态的电子。”

在这种情况下，电导率会随着无序性的增加而降低。将电荷载体移动到与无序性相关的“迁移率边缘”所需的活化能会增加。

与跳跃过程相反，晶格振动在电荷传输中不起作用。这在塞贝克效应的测量中尤为明显，塞贝克效应探测的是当样品沿特定方向暴露于温差时样品两端的电压。

“这是我们第一次对无序纳米结构硅中的微观电荷载流子传输提供可靠而新颖的解释，”Tommy Hofmann 博士说。

多种应用

这些结果与实际应用高度相关，因为介孔硅可能是硅基量子比特的理想选择。这些量子比特在低温下运行，通常低于 1 开尔文，需要非常好的隔热性能，以防止周围环境的热量被吸收并抹去存储在量子比特中的信息。

“打个比方，你可以把中孔硅想象成一种用于建筑施工的绝缘泡沫，”哈比希特说。

介孔硅的使用也可能适用于迄今为止因晶体或多晶硅的高热导率而失败的半导体应用。“这种无序性可以有针对性地加以利用，”哈比希特说。

具有纯随机分布中孔的半导体将成为一类令人兴奋的新型材料，可用于从光伏、热管理和纳米电子到量子计算机的量子比特等技术应用。

来源：小轩科技观