介孔硅：蚀刻技术揭示了独特的电子输运特性

硅是最著名的半导体材料。然而，受控的纳米结构极大地改变了材料的性能。使用专门开发的蚀刻设备，HZB的一个团队现在已经生产出具有无数微孔的介孔硅层，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输运机制。这种材料具有巨大的应用潜力，也可用于量子计算机的量子位隔热。这项工作发表在《小结构》上

介孔硅是具有无序纳米级孔的晶体硅。该材料具有巨大的内表面积，并且具有生物相容性。这开辟了广泛的潜在应用，从生物传感器到电池阳极和电容器。此外，该材料的导热系数极低，建议用作隔热材料

了解硅纳米结构中的输运特性

尽管介孔硅已经存在几十年了，但到目前为止，人们对电荷载流子的输运和晶格振动（声子）的可能参与缺乏基本的了解。“然而，为了有针对性地开发这种材料，需要精确了解其传输特性和过程，”Priv.Doz说。Klaus Habicht博士是HZB量子材料动力学和输运（QM-ADT）部门的负责人

Habicht和他的团队现在提出了新的见解。他们使用在HZB优化的蚀刻技术合成了一系列硅纳米结构，并测定了温度依赖性的电导率和热功率

该研究的第一作者Tommy Hofmann博士说：“通过分析数据，我们能够明确地确定基本的电荷输运过程。”。关键发现：“主导电荷输运的不是由无序定位的电子从一个局域态跳到下一个局域状态，而是处于扩展的波状态的电子。”

在这种情况下，电导率随着无序的增加而降低。在无序依赖的“迁移率边缘”上移动电荷载流子所需的活化能增加

与跳跃过程相反，晶格振动在电荷输运中不起作用。这从塞贝克效应的测量中尤为明显，塞贝克效应探测样品在沿特定方向暴露于温差时的电压

Tommy Hofmann博士说：“这是我们第一次为无序纳米结构硅中的微观电荷载流子输运提供可靠和新颖的解释。”

多种应用

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。这些量子位在低温下工作，通常低于1开尔文，需要非常好的隔热，以防止周围环境的热量被吸收并擦除存储在量子位中的信息

Habicht说：“用一个比喻来说，你可以把介孔硅想象成一种用于建筑的绝缘泡沫。”

介孔硅的使用也可能适用于迄今为止由于晶体硅或多晶硅的高导热性而失败的半导体应用。Habicht说：“这种疾病可以有针对性地使用。”

具有纯随机分布介孔的半导体将是一种令人兴奋的新型材料，适用于从光伏、热管理和纳米电子学到量子计算机量子比特的技术应用 More information: Tommy Hofmann et al, Electrons, Localization but no Hopping: Disorder as Key for Understanding Charge Transport in Mesoporous Silicon, Small Structures (2025). DOI: 10.1002/sstr.202400437, onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sstr.202400437