Šance alotropické modifikace křemíku

Křemík je druhým nejrozšířenějším prvkem na Zemi. Bez křemíku bychom se obešli asi těžko. Čipy, k jejichž výrobě se používá, jsou součástí mnoha elektronických zařízení – počínaje chytrými telefony a kardiostimulátory konče. Velká množství křemíku spotřebuje průmysl vyrábějící fotovoltaické články, které přeměňují sluneční záření na elektřinu. Na křemíku nám však vadí skutečnost, že jeho atomová struktura omezuje jeho schopnosti vést elektřinu a zpomaluje provozní rychlosti počítačů a účinnost slunečních panelů. Pokud elektronická zařízení mají fungovat rychleji, levněji a kompaktněji v rozsahu, který se od nich očekává, je třeba za křemík najít vhodnou náhradu. V průběhu let se navrhovaly různé prvky a sloučeniny. Dnes se ale ukazuje, že se řešení může najít v křemíku samotném – obyčejný křemík, modifikovaný a doplněný o určité schopnosti, by mohl "nahradit sebe sama".

Křemík patří do rodiny polovodičových materiálů, jejichž schopnosti vést elektřinu se pohybují někde mezi kovovými vodiči a izolátory. V počítačovém čipu stačí malé napětí k tomu, aby stav křemíku byl přepnut z vodiče na izolátor. To umožnilo vznik binární digitální informace s využitím jedniček a nul. Tato schopnost kontroly toku elektronů, spolu s nízkými náklady, stabilitou a vysokou dostupností, učinila z křemíku v průběhu déle než šedesáti let nejvhodnější materiál pro elektronická zařízení. Jak uvedl Lew Yan Voon, polovodičový fyzik z Citadel, Military College of South Carolina, Charleston, elektronická zařízení na bázi křemíkových čipů však již dosáhla svého provozního vrcholu a rychlost procesorů v posledním desetiletí více či méně stagnuje.

Místo na Slunci?

Pokud jde o sluneční panely, vyhlídky křemíku jsou ještě menší. Křemík totiž absorbuje světlo ne příliš dobře. Podle kvantové mechaniky musejí elektrony zaujímat jednu z celé řady dobře definovaných energetických úrovní. Elektrony na nižších energetických úrovních zůstávají spojeny se svými individuálními atomy. Elektrony na vyšších úrovních se volně pohybují, což jim umožňuje přenášet proud materiálem. V kovech, například v mědi, se energetické úrovně atomů překrývají, takže se elektrony mohou neustále volně pohybovat. V polovodičích, jako je například křemík, je třeba elektrony „postrčit“, aby se dostaly na vyšší energetickou hladinu.

V čipu se potřebná energie k překonání tohoto „zakázaného pásu“ (band gap) a tím k výrobě elektřiny může dodat přiložením vnějšího napětí. Ve fotovoltaických článcích tato energie přichází ve formě fotonů světla. Některé části spektra, například infračervené světlo, nedodávají dostatek energie, zatímco jiné části spektra poskytují energie až příliš mnoho. To tedy znamená, že asi polovina slunečního světla přichází nazmar. A to není všechno. Křemík jako polovodič má přechod přes zakázaný pás omezen požadavkem správné hybnosti elektronů (aby se dostaly na vyšší hladinu energie), takže přechod je ještě méně pravděpodobný. Z tohoto důvodu jsou křemíkové sluneční články málo účinné.

Přímé polovodiče mají na rozdíl od křemíku například telurid kadmia a arzenid galia. Tyto materiály mají ale také své nevýhody – prvky, které je tvoří, jsou drahé nebo toxické a nejsou-li bezpečně ošetřené, ohrožují životní prostředí.

Místo v počítačích?

Problémy s vyhledáním náhrady za křemík se týkají také počítačových čipů. Velké prostředky se již vynaložily na grafen, což je materiál, který je nejen pevnější a lehčí než ocel, ale který dokáže přenášet elektrony po celém svém povrchu rychlostí mnohem větší než ve křemíku. Grafen je však obtížné vyrábět v tak velkém množství, kterého je třeba. Navíc nefunguje jako polovodič. Ideálním řešením by bylo vylepšit a přeměnit obyčejný křemík, který není toxický, je snadno dostupný a má již svou průmyslovou základnu, na něco, co by mělo nejlepší vlastnosti jiných materiálů. Ukazuje, že taková transformace křemíku je reálná.

Křemík to umí také

Vlastnosti prvků se velmi liší podle uspořádání jednotlivých atomů. Například grafen je dvojrozměrná mřížka uhlíku. Různě uspořádané atomy uhlíku vytvářejí jednou oslnivý diamant, jindy nevýrazný grafit pro výrobu tužek. Takovéto výrazně odlišné formy, neboli alotropické modifikace, se neomezují jen na uhlík. Křemík to umí také. Za normálních podmínek přijímají atomy křemíku v podstatě krychlové uspořádání podobné diamantu. Odhaduje se, že u křemíku existuje až tucet alternativ, z nichž každá má rozdílné a potenciálně užitečné vlastnosti.

Vylepšování vlastností křemíku

Timothy Strobel z Carnegie Institute of Washington patří mezi výzkumníky, jejichž cílem je uskutečnit křemíkové sny. V roce 2014 spolu se svými spolupracovníky oznámil, že se podařilo vyrobit první novou křemíkovou alotropickou modifikaci, která by mohla překonat problém se zakázaným pásem, a to jen jeho stlačením.

K objevu došlo téměř náhodou: vědci stlačili dohromady elementární křemík a sodík a vytvořil zářivý namodralý krystal Na₄Si₂₄. Chtěli měřit elektrický odpor této sloučeniny. K získání přesných dat bylo třeba připojit ke krystalu pomocí lepidla elektrody, což vyžadovalo zahřátí. Materiál vložili do pece a měřili odpor. Výsledkům ale nikdo nerozuměl. Údaje ukazovaly, že k odstranění sodíkových iontů ze struktury a ke změně elektrických vlastností postačovaly teploty pouze 40 °C. To byl neočekávaný výsledek, protože podobné sloučeniny vytvářejí sítě křemíkových klecí, z nichž menší atomy sodíku nejsou schopné uniknout ani při vysokých teplotách. Ale místo klecí vytvářela sloučenina Na₄Si₂₄ koridory, které umožňovaly sodíkovým iontům unikat, když se teplota zvyšovala. Při zahřátí na 100 °C kleslo množství sodíku na méně než jeden atom z tisíce a tím vlastně vznikla skutečně nová alotropická modifikace křemíku Si₂₄.

Dobré zprávy pro průmysl

Skvělé je, že se tento materiál nejvíce blíží materiálu s možností přímého přechodu zakázaného pásu. Díky tomu bude možné vyrábět mnohem účinnější sluneční články, protože se více energie dostane přímo k pohybujícím se elektronům. Pro průmysl sluneční energetiky je to dobrá zpráva, protože alotropickou modifikaci křemíku Si₂₄ bude možné vyrábět ve velkém. Dnešní nejlepší křemíkové sluneční články přeměňují asi jen 25 % sluneční energie na elektřinu, což je výrazně méně, než je předpokládaný horní limit 33 %. Alotropická modifikace křemíku Si₂₄ by se mohla velmi přiblížit k této hranici a snad ji i překonat. Limit 33 % se totiž zakládá na předpokladu, že každý přicházející foton světla uvolní jen jeden vodivý elektron. Za vhodných podmínek ve vhodném materiálu by však mohl jeden foton excitovat více elektronů než jeden. Giulia Galli z University of Chicago přišel na to, že nanočástice křemíkového alotropu zvaného BC8 by mohly této vlastnosti využít a přeměnit na elektřinu až 42 % slunečního záření.

Ve hře je i silicen

Ve hře je ale i jiná alotropická modifikace křemíku. V únoru 2015 Deji Akinwande z University of Texas, Austin, oznámil, že se svými spolupracovníky vyrobil první funkční tranzistor z jedné z nejexotičtějších forem křemíku – ze silicenu (název je zkonstruován podle vzoru "grafen"). Podobně, jako je tomu u grafenu, i silicen má mnohé žádoucí vlastnosti díky tomu, že je tvořený jedinou dvojrozměrnou vrstvou. Zatímco grafen je však zcela hladký, struktura silicenu se deformuje, když se větší atomy křemíku snaží stlačit do stejného pravidelného uspořádání. V obou případech obsahuje plástvovitá hexagonální struktura další nevázané elektrony, vznášející se nad povrchem, což jim umožňuje pohybovat se rychleji než v krychlové mřížce obyčejného křemíku (rychlosti jsou i milionkrát větší). Při těchto rychlostech bylo méně kolizí mezi elektrony, takže se podstatně snížila produkce tepla, které by jinak velmi hustě uložené čipy produkovaly. A protože tranzistory ze silicenu mohou být mnohem tenčí než je tomu v současných čipech, vejde se jich do stejného prostoru více.

Jsme teprve na začátku

Zatím se ale jedná jen o začátek výzkumu. První funkční tranzistor zatím znamená jen potvrzení principu, a než se tyto nové tranzistory objeví v chytrých telefonech, bude nutné překonat ještě celou řadu překážek. Dvojrozměrnost, která umožňuje silicenu dosahovat velkých rychlostí elektronů, současně způsobuje, že se silicen rychle rozpadá. Proto tranzistor fungoval pouze několik minut. Rovněž jeho výroba je složitá, protože vyžaduje vakuové zařízení a speciální znalosti. Až do roku 2014 se lidé domnívali, že vzhledem k jeho nestabilitě není možné nic ze silicenu vyrobit. Proto se skutečnost, že tranzistor ze silicenu fungoval, byť jen chvíli, považuje za průlomový bod.

Další očekávání s otazníkem

Alotropické modifikace BC8 a Si₂₄ s přímým přechodem by mohly sehrát svou úlohu i v budoucí elektronice. Možná, že umožní integraci optických a elektronických komponent do jediného čipu, což se dnes považuje za scénář snů. Takový hybridní čip by mohl přenášet signály s využitím světla i elektronů, což by mnohonásobně zvýšilo rychlost a množství přenášených dat. Zatím je však příliš brzy odhadovat, jak se nové formy křemíku skutečně uplatní. Asi před deseti lety nastalo v odborných kruzích velké vzrušení nad možnostmi kvantových teček (quantum dots), což jsou nepatrné krystaly běžného křemíku, v nichž se výrazně projevuje kvantová mechanika ve zvýšení absorpce světla. Protože se ale nikomu nepodařilo, aby začaly produkovat proud, zájem o ně se vytratil. Pokud se struktury jako silicen, BC8 a Si₂₄ stanou pro výrobu slunečních článků a čipů životaschopnými, naděje na další využití křemíku se posílí.

Podle: Tien Nguyen: Super silicon bros. New Scientist, 2015, č. 3048, s. 30-41