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。

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。