Elektronikmaterial der nächsten Generation? Forscher haben Silizium in eine neue Kristallstruktur gebracht. Statt der üblichen kubischen Struktur sind die Atome im neuen 4H-Silizium in vier hexagonalen Schichten angeordnet. Dies verleiht dem Halbleitermaterial verbesserte optoelektronische Eigenschaften, die neue technische Anwendungen ermöglichen. Neu ist zudem, dass sich diese Siliziumstruktur nicht nur in dünnen Schichten, sondern in großen Kristallen erzeugen lässt.
Ohne Silizium geht in der modernen Elektronik kaum etwas: Der kristalline Halbleiter steckt in Computerchips, Sensoren und anderen Elektronikbauteilen und bildet die Basis für die meisten Solarzellen. Durch Dotierung seines Kristallgitters mit Fremdatomen lassen sich die elektronischen Eigenschaften des Siliziums zudem maßgeschneidert anpassen und optimieren.
Allerdings hat dies Grenzen, die durch die kubische Kristallstruktur des Siliziums vorgegeben sind: In ihr sind das Leitungs- und Valenzband des Halbleiters gegeneinander versetzt und bilden eine indirekte Bandlücke. Dadurch ist Silizium ein ineffektiver Lichtemitter und kann beispielsweise nicht als Laser genutzt werden – was für photonische Chips wichtig wäre. Zwar gibt es bereits Versuche, Silizium mit hexagonaler Struktur herzustellen. Bislang war dies aber nur durch Aufdampfen in dünnen Schichten möglich.
Siliziumatome in sechseckigen Stapeln
Jetzt ist es einem Team um Thomas Shiell von der Carnegie Institution in Washington DC erstmals gelungen, größere dreidimensionale Kristalle aus hexagonalem Silizium zu züchten. Ausgangspunkt dafür war ein erst vor wenigen Jahren entdecktes Allotrop – eine Strukturvariante des Siliziums, in der sich Ringe aus fünf, sechs oder acht Siliziumatomen abwechseln. Shiell und seine Kollegen haben nun entdeckt, dass sich dieses Si24-Allotrop durch Erhitzen und mehrere weitere Schritte in hexagonales Silizium umwandeln lässt.
