Австралійські та американські хіміки вперше синтезували кристали кремнію з чотиришаровими гексагональними ґратами. В результаті відпалу монокристалів складу Si24 вдалося отримати напівпровідні кристали гексагонального кремнію розміром в кілька мікрометрів. Якщо отримати такі ж кристали більшого розміру, то своїм електронним властивостям вони можуть обійти звичайний кубічний кремній, пишуть вчені в.
Найпоширеніша модифікація кремнію має алмазоподібну кристалічну решітку. Саме ця кубічна фаза термодинамічно стійка при кімнатних умовах, і такий кремній використовується у всіх напівпровідникових електронних пристроях. Але, як і у вуглецю, у кремнію є кілька альтернативних аллотропних форм, правда, в звичайних умовах - при кімнатній температурі і атмосферному тиску - всі інші кристалічні фази кремнію (наприклад ромбоедричний кремній-XII, тетраедричний кремній-III і різні клатратні структури) метастабільні.
Однак за теоретичними оцінками, інші аллотропні форми кремнію (зокрема з гексагональною структурою) можуть мати досить незвичайні електронні властивості і перспективні для використання в електронних пристроях. Наприклад, у 2018 році корейські вчені передбачили існування стабільної при атмосферному тиску металевої фази кремнію, яка при температурі близько 12 кельвінів стає надпровідником. А напівпровідникові гексагональні форми кремнію цікаві тим, що у них можна підлаштовувати ширину забороненої зони за рахунок введення в структуру кристалів атомів німеччина або зовнішнього механічного навантаження.
Гексагональних модифікацій у кремнію може бути кілька, залежно від того, як укладені в решітці окремі шари атомів. Якщо тетраедричні шари в решітці чергуються парами (.. ABAB..), тоді у кремнію (2H-Si) буде структура лонсдейліту. Метастабільний кремній з такою структурою вже вдавалося отримувати з проміжних кристалічних фаз високого тиску (наприклад з нітрида кремнію), але всі вони були слабо впорядковані: області з потрібною кристалічною структурою були нанометрового розміру.
Австралійські та американські хіміки під керівництвом Тімоті Стробела (Timothy A. Strobel) з Інституту Карнегі змогли синтезувати стійку фазу гексагонального кремнію, але не зі структурою лонсдейліту, а з чотиришаровою структурою - 4H-Si. У ній шари атомів кремнію одного типу чергуються не парами, а четвірками (.. ABCBABCB..). Щоб отримати таку кристалічну форму, хіміки взяли монокристали складу Si24 - це ще одна аллотропна модифікація кремнію, вперше отримана цією ж групою вчених в 2014 році, - і випалювали їх протягом декількох діб при температурах від 200 до 400 градусів Цельсія.
У результаті автори роботи отримали чотиришаровий гексагональний кремній з параметрами ґрат 0,384 і 1,259 нанометра. Цікаво, що орієнтація шарів у структурі цього кристала повністю відповідала структурі кристала Si24, з якої вона утворилася. Ширина непрямої забороненої отриманого кремнію зони склала 1,2 електронвольту - це узгоджується з попередніми теоретичними розрахунками (для порівняння, кубічний кремній, який використовується в сучасній електроніці - це теж непрямозонний напівпровідник з шириною забороненої зони 1,12 електронвольту). При цьому, на відміну від попередніх спроб синтезу гексагонального кремнію, вченим вдалося отримати не забруднені домішками монокристали розміром кілька мікрометрів.
За словами авторів роботи, якщо в таку структуру впровадити атоми німеччина, то таким чином можна буде керувати електронними параметрами матеріалу - наприклад, перетворити його на прямозонний напівпровідник. Дослідники вважають, що якщо вдасться отримати кристали гексагонального кремнію більшого розміру (наприклад, використовуючи отримані в цій роботі мікрометрові кристали в якості зацькованих), то вони можуть обійти за своїми параметрами в тому числі і звичайний кубічний кремній.
Якщо у кремнію тільки одна кристалічна модифікація поширена і без складнощів утворюється за звичайних умов, то у вуглецю стійких аллотропних форм досить багато. Незважаючи на це, вчені продовжують знаходити нові форми вуглецю і зараз. Наприклад, нещодавно хіміки синтезували нову небензоїдну форму почесного вуглецю - біфеніленову мережу, в якій атоми вуглецю утворюють чотирьох-, шести- і восьмиченні цикли.