【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海科技大學物質(zhì)科學與技術(shù)學院特聘教授Osamu Terasaki帶領(lǐng)電鏡中心研究團隊成功通過原位高溫加熱電鏡實驗制備并觀察到無客體的純硅Si46結(jié)構(gòu)，為硅基光電器件開發(fā)提供了新的材料基礎(chǔ)。相關(guān)成果以“Observation of a guest-free Si46 clathrate-I framework from Ba8-xSi46 upon in situ vacuum heating”為題，發(fā)表于期刊《自然-通訊》(Nature Communications)。
 

圖：含Ba客體原子的I型籠狀化合物結(jié)構(gòu)示意圖
 

　　硅是現(xiàn)代電子器件的基石，但間接帶隙特性限制了其在太陽能電池、LED等光電器件中的應用。理論研究表明，I型籠狀結(jié)構(gòu)的純硅Si46可能具有寬直接帶隙，但其合成長期受限于客體金屬原子無法完全移除——傳統(tǒng)方法中，較大的Si24籠內(nèi)客體原子過于穩(wěn)定，加熱移除易導致結(jié)構(gòu)坍塌。
 

圖：大籠中Ba原子的逐步缺失及無客體純Si46框架的實驗結(jié)果圖
 

　　此次，研究團隊利用合作者提供的Ba8-xSi46 樣品，依托上海科技大學物質(zhì)學院電鏡中心先進電子顯微平臺，通過原子分辨高溫加熱原位實驗，清晰展示了Ba原子逐步釋放過程：首先較小的Si20籠內(nèi)Ba原子損失，形成Ba0Ba6Si46；隨后較大的Si24籠內(nèi)Ba原子釋放，最終在納米晶體邊緣薄區(qū)域(厚度約4-6 nm)形成無客體純硅Si46結(jié)構(gòu)。實驗還觀察到，晶體缺陷區(qū)域存在新的Si26[51263]籠，且適當溫度下缺陷會發(fā)生自我修復，為未來材料的性能調(diào)控提供了新思路。
 

圖：缺陷區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖及加熱下缺陷修復現(xiàn)象
 

　　該研究在實驗上證實了無客體純硅Si46結(jié)構(gòu)的存在，為硅基材料晶相調(diào)控和光電器件應用開辟新路徑，有望推動環(huán)境友好型光電器件發(fā)展。本論文由上?？萍即髮W物質(zhì)學院電鏡中心與西班牙薩拉戈薩大學、澳大利亞科廷大學、英國曼徹斯特大學、日本廣島大學等機構(gòu)共同合作完成。上?？萍即髮W博士后周毅、副研究員張青、特聘教授Osamu Terasaki為論文共同通訊作者，上?？萍即髮W為論文第一完成單位。