Кремний-сверхпроводник

Бор широко используется в полупроводниковой индустрии как добавка к кремнию, для того чтобы улучшить его полупроводниковые свойства. Зачастую, при этом бор составляет всего 0,002% от общего числа атомов. В связи с тем, что у атома бора на один электрон, участвующий в образовании химических связей с соседними атомами в кристалле, меньше, чем у кремния, то встроенный в кремний бор поставляет позитивно заряженные "дырки" в каждом положении, где "недостающий" электрон бора мог бы быть спаренный электроном кремния. При комнатной температуре эти воображаемые электронные дырки находятся в движении, делая кремний с примесью бора полупроводником "p-типа". Но при низких температурах эти электронные дырки остаются связанными на орбитах вокруг ядра бора. Уже давно было известно, что при концентрациях бора порядка 0,01% эти низкотемпературные орбиты перекрываются, создавая электрическую проводимость в материале как у металлов. Однако, до сих пор все попытки получить сверхпроводящий кремний не были успешны.

Примеси полупроводника. Схематическое изображение кристаллической решётки n- и p-полупроводников.

Исследователи из Национального научного центра в Гренобле, Франция, попробовали использовать ещё большие концентрации бора, в надежде усилить эффект. В связи с тем, что кремний обычно "сопротивляется" чужеродным добавкам в своей кристаллической структуре, учёным пришлось использовать радикальный метод, при котором тонкий слой кремния многократно расплавляется и охлаждается при помощи лазерных импульсов. Во время каждого цикла плавления атомы газообразного бора благодаря диффузии проникают в этот жидкий слой кремния и остаются там во время последующей кристаллизации, в конечном счёте замещая вплоть до 9% атомов кремния. Учёные обнаружили, что ниже температуры в 0,35 К такой высоко-легированный кремний становится сверхпроводником.

Один из авторов этого исследования отметил, что, хоть и возможно немного повысить эту температуру, скорее всего этот материал не получит широкого применения в потребительской электронике.

Источник: PhysicsWeb