html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Физики впервые получили металлический кремний при атмосферном давлении


Ha-Jun Sung et al. / Phys. Rev. Lett.

Корейские ученые впервые получили металлическую фазу кремния, которая остается стабильной при атмосферном давлении и переходит в сверхпроводящее состояние при температуре около 12 кельвинов. Для этого они сжали соединение с формулой NaSi6 до давлений порядка 200 тысяч атмосфер, а затем сняли нагрузку и удалили атомы натрия из получившегося клатрата. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Кремний является вторым по распространенности химическим элементом в земной коре и выступает основным компонентом огромного числа электронных приборов, начиная от компьютерных процессоров и заканчивая солнечными батареями. При нормальных условиях — то есть при давлении около одной атмосферы и температуре около нуля градусов Цельсия — кремний кристаллизуется в устойчивую алмазную структуру, а также существует в виде многочисленных метастабильных форм, таких как аморфный кремний, пористый кремний, кремневые нанопроволоки и так далее. Новые метастабильные фазы можно создать, прикладывая к образцу большое давление, а потом резко снижая нагрузку — например, таким образом получается ромбоэдральная фаза Si-XII или гексагональная фаза Si-IV. Другой способ создания аллотропных модификаций кремния предполагает использование химических прекурсоров — соединений, из которых можно легко удалить «мешающие» атомы. Особенно удобно использовать в качестве прекурсоров клатраты, в которых молекулы «вещества-гостя» пойманы в ячейки основной кристаллической решетки. В частности, аллотропная модификация Fd3m-Si136 получается удалением атомов натрия из клатрата Na24Si136.

Несмотря на то, что при стандартном давлении кремний может существовать в виде большого числа метастабильных фаз, все они являются полупроводниками, то есть плохо проводят электричество. С другой стороны, при повышении давления в кремнии могут возникать металлические фазы, но их кристаллическая структура разрушается после снятия нагрузки. Например, фаза β-Sn, напоминающую своей кристаллической структурой олово, перестает существовать при давлении менее 112 атмосфер. В то же время, металлический кремний, не разрушающийся при нормальных условиях, мог бы пригодиться для создания новых электронных приборов.

Группа ученых под руководством Кай-Вей Чанга (Kai-Wei Chang) из Корейского института передовых технологий впервые получила чисто кремниевую структуру, которая при давлении порядка одной атмосферы не только хорошо проводит электричество, но даже переходит в сверхпроводящее состояние. Для этого исследователи рассмотрели соединения с общей формулой NaSix, где x менялся от 0,5 до 6, и сжали их до давления порядка двухсот тысяч атмосфер. Оказалось, что соединение с формулой NaSi6 при таких условиях образует устойчивую клатратную структуру P6/m-NaSi6, которая остается стабильной даже после снятия давления. Если заменить в такой решетке атомы натрия атомами кремния, получится простая гексагональная решетка, которая отвечает металлической фазе кремния, существующей при давлении порядка 132 тысяч атмосфер. Затем ученые понизили давление и удалили атомы натрия из кристаллической решетки, используя процесс термической дегазации при температуре около 600 кельвинов. В результате они получили новую аллотропную форму кремния P6/m-Si6, которая оставалась устойчивой при атмосферном давлении.

Кристаллическая структура P6/m-NaSi6 и P6/m-Si6

Ha-Jun Sung et al. / Phys. Rev. Lett.

Затем ученые численно рассчитали электронную зонную структуру синтезированных соединений с помощью метода молекулярной динамики, и выяснили, что они должны проявлять металлические свойства. Кроме того, физики исследовали сверхпроводящие свойства соединений с помощью теории возмущений функционала плотности (density-functional perturbation theory). В рамках этой теории они оценили электрон-фононную константу связи в каждом из материалов и выяснили, при какой температуре в них будет возникать бозе-конденсат куперовских пар. Оказалось, что при нулевом давлении P6/m-NaSi6 переходит в сверхпроводящее состояние при температуре около 13,1 кельвина, а аллотропная форма кремния P6/m-Si6 — при температуре около 12,2 кельвина. При росте давления электронам становится сложнее связываться, и критическая температура медленно начинает уменьшаться. Например, при давлении около 150 тысяч атмосфер она падает до 4 кельвинов.

Зависимость критической температуры и константы электрон-фононной связи (во врезе) полученных соединений от давления

Ha-Jun Sung et al. / Phys. Rev. Lett.

Спектр фононов (слева) и зонная структура (справа) полученных соединений. Верхний ряд отвечает P6/m-NaSi6, нижний — P6/m-Si6

Ha-Jun Sung et al. / Phys. Rev. Lett.

Наконец, ученые исследовали устойчивость новой аллотропной модификации кремния. Для этого они рассчитали среднюю энергию соединения, которая составила примерно 0,35 электронвольт на атом. Это значит, что P6/m-Si6 является метастабильным соединением, которое рано или поздно перейдет в более устойчивую алмазную структуру, имеющую минимальную возможную энергию. Тем не менее, при температурах до 400 кельвинов (чуть больше 100 градусов Цельсия) P6/m-Si6 в целом остается стабильным достаточно долго, чтобы его можно было использовать на практике.

Зависимость средней энергии аллотропных модификаций кремния от среднего объема на один атом, при атмосферном давлении. Кривая с самым низким минимумом отвечает алмазу, P6/m-Si6 отмечен красным

Ha-Jun Sung et al. / Phys. Rev. Lett.

Многие вещества, которые при обычных условиях являются обычными диэлектриками, при высоких давлениях переходят в металлическое состояние. Например, благородные газы около ядер газовых гигантов, где давление может достигать сотен тысяч атмосфер, теряют прозрачность и начинают проводить электричество. А сероводород, сжатый до давления около 1,6 миллиона атмосфер и охлажденный до температуры порядка −70 градусов Цельсия, вообще становится сверхпроводником. Подробнее прочитать о том, как меняются свойства материалов в условиях экстремального давления, можно в нашем материале «Путешествие к центру Земли»

Дмитрий Трунин

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с nplus1.ru

2

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • nplus1.ru
          • физика
          • ученые
          • домен nplus1.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции