能隙只有30 meV的矽,是半導體還是金屬?

■矽(Si)是一被廣泛運用的材料,從生活必備的手機電腦到太陽能電池皆仰賴矽工業的成熟,雖然人類對於其性質的掌握非常全面,但科學家還是持續探索其他可能性。

圖片來源:Carnegie Science

撰文|方程毅

矽由矽原子組成。一般使用於半導體工業的矽,結構與鑽石相同,矽跟碳同為四族元素,鑽石是碳原子以sp3軌域跟另外四個碳連結,矽晶圓也是如此,這樣的結構被通稱為鑽石結構diamond cubic structure (DC-Si)。

原子的排列方式會影響半導體能隙(bandgap),能隙可以說是半導體最重要的性質,其大小決定材料吸收光子與發光的行為。例如,當光子能量大於能隙(光波長短於能隙)時,該光子就有可能被材料吸收。鑽石結構的矽能隙為1.12eV,換算成光波長大約為1107nm。可見光波長約在400-700nm,因此太陽光可以被矽吸收轉換成電,作為太陽能電池之用。能隙為1.12eV也同時是矽可以被用於光學晶片的原因,一般光通訊使用的光波長為1550nm,光子能量小於矽的能隙,因此不會被吸收,可以在矽做成的光波導內行走。

鑽石結構矽的另一個特點是非直接能隙(Indirect bandgap)。非直接能隙影響矽的發光行為。發光的基本機制為電子從高能階掉到低能階,發出光子的能量等同於能階差距,但這個行為必須要直接能隙(Direct Bandgap)的材料才會發生。因此雖然矽的能階為1.12eV,卻無法發出波長1107nm的光,這同時也是光學晶片需要使用三五族材料來發光的原因。

但是,以上都是矽原子以鑽石結構組成才有的行為。若是矽原子的排列方式不同,其性質便大不相同。美國卡內基科學研究所(Carnegie Institution for Science) Timothy Strobel教授實驗室最近對另一種排列方式的Si-III (或名 BC8-Si)進行研究,發現能隙只有30 meV,且為一直接能隙的材料,研究結果發表於《Physical Review Letters》。

BC8-Si早在1963年即被發現。製備方式是將矽加壓並且在某種特定速度下減壓,讓原子重新排列,至於為什麼叫BC8-Si則是跟材料的晶體結構有關,本文將不深入探討。

過往研究指出BC8-Si具備金屬的性質,沒有能隙,電子能在材料中自由移動,但Strobel教授對BC8-Si做了完整的性質量測,並進行理論計算後發現,BC8-Si並非沒有能隙,而是能隙非常小,只有30 meV。30meV對應到的光波長為41µm,已經進到中紅外線(mid-infrared)的範圍,能量非常小。但因為是直接能隙,因此未來BC8-Si在紅外光波段能派得上用場。

研究團隊為了證明BC8-Si是能隙超小的半導體而非金屬,也針對其導熱性、電阻率及光學性質進行研究,都發現BC8-Si的行為與半導體類似,不具有金屬性質。

這項研究也告訴我們,就算是大家熟悉的材料,也會因為排列方式的不同產生完全相反的性質,而矽也不僅只有鑽石結構跟BC8-Si,還有其他尚未被深入探討的型態,那些未知的性質或許能在意想不到的地方有所應用。

論文作者Haidong Zhang表示:「在過去,鍺(Ge)被證明為半導體而非當時主流學界相信的金屬,這個發現迎來了近代半導體的盛世。而這次我們發現BC8-Si為半導體而非金屬可能也會給科學界帶來進展。」

 

原始論文:Zhang, Haidong, Hanyu Liu, Kaya Wei, Oleksandr O. Kurakevych, Yann Le Godec, Zhenxian Liu, Joshua Martin, Michael Guerrette, George S. Nolas, and Timothy A. Strobel. "BC8 Silicon (Si-III) is a Narrow-Gap Semiconductor." Physical Review Letters 118, no. 14 (2017): 146601.

參考資料:TO E-, OR NOT TO E-, THE QUESTION FOR THE EXOTIC “SI-III” PHASE OF SILICON

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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