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若果“天生我材必有用”，则每种材料都应该有它的名字。硅（Si）材料是半导体工业的基石，广泛应用于集成电路和太阳能电池中。硅是间接带隙半导体，室温带隙值为1.12 eV，其直接带隙值为3.2 eV左右，对太阳光的响应和吸收较弱。为探索具更高光学吸收性能的Si材料，几十年来，科学家在不断的探索得到具有良好太阳光吸收性能的硅亚稳态结构。
上世纪六十年代科学家已利用高压条件制备出金属相Si材料（Science 139, 338, 1963），此后，人们相继在高压试验中发现了多种Si亚稳相结构。从理论和实验中发现了R8（Phys. Rev. B 78, 161202, 2008），体心四角(Phys. Rev. B 81, 115201, 2010)，立方的Si20-T（Phys. Rev. Lett. 110, 118702, 2013），Si32（J. Phys.: Condens. Matter 34, 154006，2022）等亚稳相Si同素异形体。对于这些Si同素异形体，大家对之命名一般比较随意，这可能和当初高压实验发现Si亚稳相之后，人们随意将之命名为Si-II，Si-III，Si-XI等有关，人们当时对于“亚稳相的Si有多少种？”并没报多大的期望。近年来随着理论计算手段的发展，出现了各种预测材料结构的方法，如遗传算法、粒子群优化算法（PSO）、构象空间退火（CSA）方法等，各种Si亚稳相结构也应运而生。2015年，Kim等人报道了一种开放框架Si同素异形体Si24的实验合成（Nat. Mater. 14, 169, 2015），他们实验中主要用了两个步骤，一是合成了一种前驱体NaSi6，然后将Na脱去，留下的开放框架Si同素异形体还能在常温常压条件下稳定存在。2022年，温州大学电气与电子工程学院邵和助博士等人利用结构搜索得到了一种具有超低晶格热导率（室温热导率仅为1.7 W/mK，约为晶硅的1%）的Si同素异形体（如图1左所示），该同素异形体由6组五角环Si基本单元（核心由sp3杂化成键）以及sp2杂化共价键为铰链结构组成，他们将之命名为“戊硅”（Pentasilicon），并探索了其在热电方面的应用潜力，发现在500 K下p型和n型戊硅优化后的热电优值可达0.35与0.27，分别为晶硅的12倍和5倍（Mater. Today Phys. 27, 100756, 2022）。
戊硅空间群结构为![]()
(225)，晶格常数为14.192埃，原胞结构中含有22个Si原子，它比起晶硅的能量高472 meV/atom。最近邵和助等人又发现了一种比戊硅更稳定的一种含22个Si原子的硅同素异形体（如图1右所示），其能量比戊硅低308 meV/atom。这种硅同素异形体的结构属于三方晶系，所属空间群为![]()
(167)，如图2所示若从顶角观察，其晶体结构呈现出漂亮的旋转对称性，并且在这22个硅原子中，由对称性不同可分为三类Si原子，其结构属于三方晶系中的菱方晶格。面对这么富有美感的多三角形原子构型，邵和助博士顿时联想到温州大学边上有名的三垟湿地菱角，每逢八月中秋时节菱角最肥，路过三垟湿地时，会在路边停留片刻，从菱农那里买些尝尝，因此给这种新发现的硅同素异形体起名为“芰硅”（Tri-Si22），语出《資治通鑑˙胡三省注》第214卷“說文曰：楚謂之芰，秦謂之薢茩，今俗但言蔆芰。武陵記：四角、三角曰芰，兩角曰蔆。”![]()
芰硅的能带结构如图3所示，用PBE方法得到的带隙值为1.23 eV，导带底位置在F点，价带顶在Г到Z之间，在F点的直接带隙值为1.32 eV，可称为准直接带隙半导体。用GW方法对能带结构进行修正，得到其带隙为1.68 eV，在F点为1.76 eV。这个带隙对应着最好的太阳能电池应用范围。比起晶硅，进一步的计算表明芰硅在可见光范围内有强得多的光响应（如图4所示）。为了讨论其稳定性，邵博士等人从三个方面着手：首先从弹性性质计算发现，该材料弹性常数满足Born弹性稳定性判据，其次对其在400 K下做了第一性原理分子动力学模拟，发现其能在长时间内保持热力学稳定性，再就是计算得到的声子谱也没有虚频，表明芰硅具有动力学稳定性。图5. 芰硅的声子输运性质。
对芰硅的声子输运研究表明：比起晶硅，芰硅的热导率降低了近90%。在芰硅中，由于声子谱中引入了三组准局域模式，增强了声子散射相空间，另外与戊硅类似，在芰硅中也发生了类似的声-光反转（crossover）效应（如图5e所示），这种效应导致会导致纵声学LA声子突然失速，从而导致散射率突然增大。另一方面，芰硅热导率还可以通过掺杂进一步降低，除了用于光伏场景外，或许也可以将之应用于热电发电领域，从而实现光伏-热电一体化系统，这方面的研究有待进一步深入。
该工作近期以“Improved compatibility for solar spectral irradiance and heat transport in a predicted trigonal silicon allotrope”为题发表于国际期刊《Physical Review B》（https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.235203）。温州大学邵和助和复旦大学张浩为共同通讯作者，温州大学董长昆教授对该工作给予了大力支持。该工作也得到了国家自然科学基金（52272006, 62374118），浙江省自然科学基金（LY22A040001），温州市自然科学基金（G20210016）和宁波市2025重大科技专项（2020Z054），上海市自然科学基金（19ZR1402900）等项目的部分经费支持。——由课题组供稿
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