突破性發現：新型多孔矽將推動量子電腦革命

科學家們近日在奈米結構的多孔矽材料研究上取得重大突破，這項發現可能為量子電腦的發展帶來革命性影響。多孔矽與傳統矽材料不同，其內部充滿無數微小孔洞，賦予它獨特的電學與熱學特性，使其在生物感測器、隔熱材料、光伏技術等領域具有廣泛應用潛力。

作為最廣泛使用的半導體材料，矽在奈米尺度下經過特殊設計後，其特性會發生顯著變化。德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心（HZB）的研究團隊開發出一種特殊的蝕刻技術，成功製造出多孔矽薄膜。透過研究其電導率和熱導率，他們首次揭示了這種材料中電荷傳輸的基本機制。

這項發現為多孔矽在先進技術領域的應用開啟了新的可能性，包括光伏技術、熱管理系統和奈米電子學。特別值得一提的是，多孔矽卓越的隔熱效能使其成為量子電腦中量子位元（qubit）隔熱材料的理想選擇。在量子電腦運作中，維持極低溫環境對系統穩定至關重要。

多孔矽是一種具有隨機排列奈米孔洞網路的晶體矽材料。這種獨特結構賦予它巨大的內表面積和生物相容性，使其在生物感測器、電池陽極和電容器等領域具有應用潛力。此外，其極低的熱導率也使其成為優異的隔熱材料。

儘管多孔矽已被研究數十年，但關於電荷載子如何在其中移動，以及晶格振動（聲子）在此過程中的作用，一直缺乏深入理解。HZB量子材料動力學與傳輸部門（QM-ADT）負責人Klaus Habicht博士強調，要實現材料的定向開發，必須精確掌握其傳輸特性與過程。

Habicht博士帶領的團隊在這方面取得了重要進展。他們利用HZB開發的特殊蝕刻技術，製造了一系列矽奈米結構，並在不同溫度下分析其電導率和熱電勢。研究第一作者Tommy Hofmann博士表示：「透過資料分析，我們明確識別出了基本的電荷傳輸過程。」

研究發現，主導電荷傳輸的並非因無序而局域化的電子跳躍，而是處於擴充套件波狀態的電子。在這種情況下，導電性會隨著無序程度的增加而降低。此外，研究還發現晶格振動在電荷傳輸過程中並不起作用，這一結論特別透過塞貝克效應的測量得到了驗證。

Hofmann博士指出：「這是我們首次對無序奈米結構矽中的微觀電荷載子傳輸提供可靠且新穎的解釋。」這些研究結果對實際應用具有重要意義，因為多孔矽可能成為矽基量子位元的理想材料。量子位元通常在低於1開爾文的極低溫下運作，需要優異的隔熱效能來防止環境熱量影響量子資訊的儲存。

Habicht博士用一個生動的比喻解釋道：「你可以把多孔矽想像成建築中使用的隔熱泡沫。」此外，多孔矽也可能應用於某些因傳統晶體或多晶矽高熱導率而無法實現的半導體應用。Habicht博士進一步指出：「我們可以針對性地利用這種無序特性，純粹隨機分佈的多孔矽將成為一類令人興奮的新材料，其應用範圍涵蓋光伏技術、熱管理系統、奈米電子學，乃至量子電腦的量子位元。」

這項研究發表在2025年2月24日的《Small Structures》期刊上，標題為《電子、局域化但無跳躍：無序作為理解多孔矽中電荷傳輸的關鍵》，DOI編號為10.1002/sstr.202400437。