硅是最著名的半导体材料。然而，受控的纳米结构化会严重改变材料的性质。使用一种专门开发的刻蚀装置，HZB的一个团队现在生产了具有无数微小孔洞的介孔硅层，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。该材料在应用方面具有巨大潜力，也可以用于为量子计算机的量子比特提供热绝缘。
介孔硅是具有无序纳米级孔洞的晶体硅。该材料具有巨大的内部表面积，并且生物相容性良好。这为潜在应用打开了广阔的前景，从生物传感器到电池阳极和电容器。此外，材料的极低热导率表明其在热绝缘方面的应用潜力。
理解硅纳米结构中的传输特性
尽管介孔硅已知数十年，但迄今为止对电荷载流子的传输和晶格振动（声子）的可能参与缺乏基本理解。“然而，为了有针对性地开发该材料，需要对传输特性和过程有准确的理解，”HZB量子材料动态与传输（QM-ADT）部门负责人Priv. Doz. Dr. Klaus Habicht表示。
Habicht及其团队现在提出了新的见解。他们使用在HZB优化的刻蚀技术合成了一系列硅纳米结构，并确定了温度依赖的电导率和热电动势。
波动状态中的电子主导传输
“通过分析数据，我们能够明确识别基本的电荷传输过程，”研究的第一作者Dr. Tommy Hofmann表示。关键发现：“主导电荷传输的不是由于无序而局域化的电子在一个局域状态跳到下一个局域状态，而是那些处于扩展的波动状态的电子。”在这种情况下，电导率随无序的增加而降低。移动电荷载流子所需的激活能量随无序依赖的“迁移边缘”而增加。
与跳跃过程不同，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，该效应探测着样品在沿特定方向受到温差作用时产生的电压。
“这是我们首次为无序、纳米结构硅中的微观电荷载流子传输提供了可靠而新颖的解释，”Dr. Tommy Hofmann表示。
多种应用
这些结果与实际应用密切相关，因为介孔硅可能非常适合基于硅的量子比特。这些量子比特在低温下工作，通常低于1开尔文，并需要非常好的热绝缘以防止周围环境的热量被吸收，从而消除存储在量子比特中的信息。“用比喻来讲，你可以将介孔硅视为建筑施工中使用的一种绝缘泡沫，”Habicht说道。
介孔硅的使用也可能适用于由于晶体或多晶硅的高热导率而失败的半导体应用。“无序可以被有针对性地利用，”Habicht说道。具有完全随机分布的介孔的半导体将是一类令人兴奋的新材料，可用于从光伏、热管理和纳米电子学到量子计算机的量子比特等技术应用。
