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一种在硅中富集氢同位素的节能方法

2021-08-23 09:41     来源:mirage     原子核同位素分析


20世纪初同位素的发现标志着物理学史上的一个关键时刻,并导致了对原子核更精细的理解。同位素是周期表中某一特定元素的 "版本",其质子数量相同,但中子数量不同,因此质量不同。这些质量上的差异可以从根本上改变原子的某些物理特性,例如它们的放射性衰变率,它们在核裂变反应堆中可能的反应途径,以及更多。

虽然一种元素的大多数同位素具有类似的化学性质,但有一个明显的例外:氢同位素。地球上的大多数氢原子只包含一个质子和一个电子,但存在着也有一个中子(氘)或两个中子(氚)的氢同位素。氘,其重量基本上是 "正常 "氢的两倍,已经发现了许多实际和科学用途。例如,它可以被用来标记和跟踪分子,如蛋白质,以研究生化过程。它还可以战略性地用于药物中,以降低其代谢率并增加其在体内的半衰期。

氘的另一个重要应用存在于半导体电子领域。硅基半导体的表面必须用氢气进行 "钝化",以确保硅原子不容易脱落(解吸),从而提高微芯片、电池和太阳能电池的耐久性。然而,通过仍未完全理解的机制,用氘而不是氢进行钝化会导致解吸概率降低约100倍,这意味着氘可能很快成为电子设备中不可或缺的成分。不幸的是,无论是采购氘还是用它来富集硅表面的现有技术,都非常缺乏能源效率,或者需要非常昂贵的氘气。

幸运的是,在日本名古屋市立大学(NCU),由Takahiro Matsumoto教授领导的一个科学家团队已经找到了一种使用稀释的氘溶液来富集硅表面的节能策略。这项研究发表在《物理评论材料》上,是与日本原子能机构的Takashi Ohhara博士和京都大学的Yoshihiko Kanemitsu博士合作进行的。

研究人员发现,在纳米晶硅(n-Si)的表面可以发生从氢到氘的奇特交换反应。他们用非弹性中子散射法证明了浸没在含氘溶液中的正硅薄膜的这种反应。这种光谱技术涉及将中子辐照到样品上,并分析由此产生的原子运动或晶体振动。这些实验,加上其他光谱学方法和基于量子力学的能量计算,揭示了有利于正硅表面的氢终止点被氘取代的基本机制。交换过程与氢端和氘端正硅的表面振动模式的差异密切相关。"我们在液态下进行的实验中实现了正硅表面氘原子浓度的四倍增长,"松本博士强调说,"我们还提出了一个正硅的气相富集协议,根据我们的理论计算,可以将氘的富集率提高15倍。"

这种利用正硅表面的量子效应的创新策略可以为采购和利用氘的新方法铺平道路。"松本博士总结说:"我们报告的高效氢-氘交换反应可能导致可持续的、经济上可行的和环境友好的氘富集协议,从而导致更持久的半导体技术。

NCU团队还表示:"从理论上预测,氢气越重,交换反应的效率就越高。因此,我们可以期待在正硅上更有效地富集氚原子,这导致了净化氚污染水的可能性。我们认为,这是一个必须紧急解决的问题"。

让我们希望这项工作的发现能让我们从更重的氢同位素中获得更多好处,而不至于对我们的星球造成损失。


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