シリコン系エネルギー材料の新たな合成法を解明(Supercharging silicon: ORNL scientists pinpoint new ways to synthesize power source)

2026-06-30 オークリッジ国立研究所(ORNL)

米国オークリッジ国立研究所(ORNL)を含む国際研究チームは、エネルギー貯蔵や電子デバイスへの応用が期待される希少なシリコン結晶相「R8シリコン」を、従来より低圧かつ低コストで合成する新手法を開発した。R8シリコンは天然には存在せず、これまでは結晶シリコンに極めて高い圧力を加える複雑な工程が必要だった。研究では、中性子散乱、X線回折、高精度計算を組み合わせて解析した結果、結晶シリコンではなくアモルファス(非晶質)シリコンを圧縮すると、密度が適切に一致することでR8相が直接形成されることを解明した。この方法は従来法よりエネルギー消費を大幅に削減でき、産業規模への展開も期待される。また、同様の原理がゲルマニウムにも適用できることが示され、他の機能性材料への応用可能性も示唆された。本成果は、高性能電池や次世代半導体などの材料開発を加速する新たな合成技術として期待される。

<関連情報>

圧力駆動による密度整合により、非晶質SiとGeから準安定なr8相が核生成する Pressure-driven density match nucleates metastable r8 phases from amorphous Si and Ge

Bianca Haberl, Malcolm Guthrie, Gang Seob Jung, Leonardus B. Bayu Aji, Jamie J. Molaison, Guoyin Shen, Stephan Irle, Jodie E. Bradby
Materials Today  Available online: 18 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.08.002

シリコン系エネルギー材料の新たな合成法を解明(Supercharging silicon: ORNL scientists pinpoint new ways to synthesize power source)

Abstract

The pressure–temperature phase behavior of covalent disordered solids such as amorphous silicon and germanium is complex. Questions remain on possible glass transitions, on polyamorphism via amorphous–amorphous transitions, on connections with liquid–liquid transitions, on structure-behavior relationships, and on their potential as precursor for novel methods for material discovery. Here we demonstrate experimentally the nucleation of a metastable, four-fold coordinated rhombohedral r8 phase from pure amorphous silicon and germanium upon room temperature compression at pressures below 10 GPa. Accompanying theory reveals a strong pressure-driven distortion of the bond angle transforming the starting tetrahedral low-density amorphous network to a distorted four-fold coordinated medium-density state. This state is of lower density than metallic high-density networks, resembles the crystalline r8 phase and initiates its nucleation. Our finding shows that polyamorphism is not the only possible transformation mode for these amorphous solids and that instead nucleation of interesting functional phases at potentially useful pressures is possible. Such novel access modes to metastable structures are critical for future exploitability and could be useful for other tetrahedral materials including carbon, where the related (bc8) post-diamond phase remains elusive. Our observed density match between an amorphous and a metastable crystalline phase clearly allows for a new phase transition pathway, while corresponding theory demonstrates how carefully validated atomistic simulations can guide prediction, discovery and synthesis of novel material structures.

0501セラミックス及び無機化学製品
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