摘要：科学家们对中孔硅有了新的认识，中孔硅是众所周知的半导体的纳米结构版本。与标准硅不同，中孔硅拥有无数的微小孔隙，赋予其独特的电学和热学特性，为生物传感器、隔热、光伏甚至量子计算等应用开辟了潜在的空间。

科学家们对中孔硅有了新的认识，中孔硅是众所周知的半导体的纳米结构版本。与标准硅不同，中孔硅拥有无数的微小孔隙，赋予其独特的电学和热学特性，为生物传感器、隔热、光伏甚至量子计算等应用开辟了潜在的空间。

硅是应用最广泛的半导体，但当其结构在纳米尺度上经过精心设计时，其特性会发生巨大变化。HZB 的一个研究小组开发了一种专门的蚀刻技术来制造中孔硅——薄层中充满了无数微小的孔隙。通过研究其电导率和热导率，他们首次揭示了这种材料中电荷传输的基本机制。

这些发现为介孔硅在一系列先进技术中的应用开辟了令人兴奋的可能性，包括光伏、热管理和纳米电子学。值得注意的是，它能够显著减少热传递，使其成为量子计算机中热绝缘量子比特的有希望的候选材料，因为保持极低的温度对于稳定运行至关重要。

介孔硅：未来技术的变革者

介孔硅是一种晶体硅，包含随机排列的纳米级孔隙网络。这种独特的结构使其具有巨大的内部表面积，并使其具有生物相容性，为各种应用打开了大门，包括生物传感器、电池阳极和电容器。此外，其极低的热导率使其成为一种有希望用作热绝缘体的候选材料。

了解硅纳米结构的传输特性

尽管人们已经研究了几十年，但载流子穿过介孔硅的方式以及晶格振动（声子）在此过程中的作用仍然知之甚少。“然而，为了有针对性地开发这种材料，需要精确了解传输特性和过程，”HZB 量子材料动力学和传输 (QM-ADT) 部门负责人 Klaus Habicht 博士解释说。

Habicht 和他的团队目前已在这一领域取得了重大进展。他们利用 HZB 开发的一种专门的蚀刻技术，创建了一系列硅纳米结构，并分析了它们在不同温度下的电导率和热电势。

波状状态的电子主导着传输

“通过分析数据，我们能够明确识别基本的电荷传输过程，”这项研究的第一作者 Tommy Hofmann 博士说。关键发现是：“主导电荷传输的不是无序局域化的电子，而是那些处于扩展的波状状态的电子，它们从一个局域状态跳到另一个局域状态。”在这种情况下，电导率会随着无序性的增加而降低。

将电荷载体移动到依赖于无序性的“移动边缘”所需的活化能会增加。

与跳跃过程相反，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，塞贝克效应探测的是当样品沿特定方向暴露于温差时样品两端的电压。

“这是我们第一次对无序纳米结构硅中的微观电荷载流子传输提供可靠而新颖的解释，”Tommy Hofmann 博士说。

介孔硅：量子比特的热绝缘体

这些结果与实际应用高度相关，因为介孔硅可能是硅基量子比特的理想选择。这些量子比特在低温下运行，通常低于 1 开尔文，并且需要非常好的隔热性能，以防止周围环境的热量被吸收并抹去存储在量子比特中的信息。“打个比方，你可以把介孔硅想象成一种用于建筑施工的绝缘泡沫，”哈比希特说。

介孔硅的使用也可能适用于迄今为止因晶体或多晶硅的高热导率而失败的半导体应用。“这种无序性可以有针对性地使用，”哈比希特说。具有纯随机分布介孔的半导体将成为一类令人兴奋的新材料，可用于从光伏、热管理和纳米电子到量子计算机的量子比特等技术应用。

来源：小鱼的科学讲堂