Учёные получили новые необычные материалы, индуцировав лазером микровзрывы в кремнии – материале, используемом для компьютерных чипов. Новая методика может привести к простому созданию сверхпроводников или высокоэффективных солнечных элементов и датчиков света.

Ученые создали две совершенно новые структуры кристаллов или фаз в кремнии и спрогнозировали потенциальные признаки еще четырех.

Теория предсказывает, что эти материалы могут иметь очень интересные электронные свойства, такие как изменение запрещенной зоны, а при легировании возможно даже и сверхпроводимость.

Направив лазеры на кремний, находящийся под прозрачным слоем диоксида кремния, группа усовершенствовала способ точного взрыва крошечных полостей в твердом кремнии. Такой взрыв создает очень высокое давление вокруг себя, что приводит к образованию новых фаз, имеющих сложные структуры.

Используя комбинацию электронных дифракционных картин и моделирования структуры, учёные обнаружили, что новые материалы имеют кристаллические структуры, которые повторяются каждые 12, 16 или 32 атома.

«Микровзрывы изменяют простоту кремния для гораздо более сложных структур, что открывает возможность для необычных и неожиданных свойств,» – считают учёные.

Эти сложные фазы часто нестабильны, но небольшой размер структур означает, что они очень быстро охлаждаются и затвердевают, прежде чем могут распасться. Новые кристаллические структуры просуществовали в лаборатории уже больше года.

Эти новые открытия не случайны, в их основе лежит глубокое понимание того, как лазеры взаимодействуют с материей.

Обычные методы создания материалов с высоким давлением использовали крошечные алмазные наковальни для сжатия материалов. Но ультракороткий лазерный микровзрыв создает давление во много раз выше, чем алмаз. Метод позволяет создавать тысячи модифицированных зон микронного размера в нормальном кремнии в секунду.

Новый метод обещает стать гораздо более дешевым и простым для массового производства таких необычных материалов.

Источник: L. Rapp, B. Haberl, C.J. Pickard, J.E. Bradby, E.G. Gamaly, J.S. Williams, A.V. Rode. Experimental evidence of new tetragonal polymorphs of silicon formed through ultrafast laser-induced confined microexplosion. Nature Communications, 2015; 6.