Силицен - Silicene

СТМ изображение первого ( 4 × 4 ) и второго слоев ( √ 3 × √ 3 - β ) силицена, выращенного на тонкой серебряной пленке. Размер изображения 16 × 16 нм.

Силицен является двумерный аллотропом из кремния , с гексагональной сотовой структурой , аналогичной графена . В отличие от графена, силицен не плоский, а имеет периодически изгибающуюся топологию; связь между слоями в силицене намного сильнее, чем в многослойном графене; а окисленная форма силицена, двумерный диоксид кремния , имеет химическую структуру, сильно отличающуюся от оксида графена .

История

Хотя теоретики размышляли о существовании и возможных свойствах отдельно стоящего силицена, исследователи впервые наблюдали кремниевые структуры, которые предполагали наличие силицена, в 2010 году. Используя сканирующий туннельный микроскоп, они изучили самоорганизованные силиценовые наноленты и силиценовые листы, нанесенные на кристалл серебра. Ag (110) и Ag (111) с атомным разрешением. На изображениях были обнаружены шестиугольники в сотовой структуре, похожие на структуру графена, которые, однако, как было показано, происходят от поверхности серебра, имитирующей шестиугольники. Расчеты по теории функционала плотности (DFT) показали, что атомы кремния имеют тенденцию образовывать такие сотовые структуры на серебре и имеют небольшую кривизну, которая делает более вероятной конфигурацию, подобную графену. Однако такая модель оказалась недействительной для Si / Ag (110): поверхность Ag демонстрирует реконструкцию с отсутствующими строками после адсорбции Si, а наблюдаемые сотовые структуры являются артефактами наконечника.

За этим последовало открытие в 2013 году гантельной реконструкции в силицене, которая объясняет механизмы образования слоистого силицена и силицена на Ag.

В 2015 году был испытан силиценовый полевой транзистор. это открывает возможности для двумерного кремния для фундаментальных научных исследований и электронных приложений.

Сходства и различия с графеном

Кремний и углерод - подобные атомы. Они лежат друг над другом в одной группе в периодической таблице , и оба имеют электронную структуру s 2 p 2 . Двумерные структуры силицена и графена также очень похожи, но оба имеют важные различия. В то время как оба образуют гексагональные структуры, графен является полностью плоским, а силицен - гексагональной формы изогнутой формы. Его изогнутая структура дает силицену регулируемую ширину запрещенной зоны за счет приложения внешнего электрического поля. Реакция гидрирования силицена более экзотермична, чем реакция графена. Другое отличие состоит в том, что, поскольку ковалентные связи кремния не имеют пи-стэкинга , силицен не образует кластеры в графитоподобную форму. Формирование выпученной структуры в силицене в отличие от плоской структуры графена было приписано сильным псевдо-ян-теллеровским искажениям, возникающим из-за вибронной связи между близко расположенными заполненными и пустыми электронными состояниями.

Силицен и графен имеют схожую электронную структуру. Оба имеют конус Дирака и линейную электронную дисперсию вокруг точек Дирака . У обоих также есть квантовый спиновый эффект Холла . Ожидается, что оба будут иметь характеристики безмассовых фермионов Дирака, которые несут заряд, но это предсказано только для силицена и не наблюдалось, вероятно, потому, что ожидается, что это произойдет только с автономным силиценом, который не был синтезирован. Считается, что подложка, на которой изготовлен силицен, оказывает существенное влияние на его электронные свойства.

В отличие от атомов углерода в графене, атомы кремния имеют тенденцию к гибридизации sp 3 по сравнению с sp 2 в силицене, что делает его высоко химически активным на поверхности и позволяет легко настраивать его электронные состояния с помощью химической функционализации.

По сравнению с графеном силицен имеет несколько важных преимуществ: (1) гораздо более сильное спин-орбитальное взаимодействие, которое может привести к реализации квантового спинового эффекта Холла при экспериментально доступной температуре, (2) лучшая настраиваемость запрещенной зоны, которая необходим для эффективного полевого транзистора (FET), работающего при комнатной температуре, (3) более легкой поляризации долины и большей пригодности для изучения долинтроники.

Ширина запрещенной зоны

Ранние исследования силицена показали, что различные легирующие примеси в структуре силицена позволяют регулировать ширину запрещенной зоны . Совсем недавно ширина запрещенной зоны в эпитаксиальном силицене была изменена адатомами кислорода с нулевой запрещенной зоны на полупроводниковую. Благодаря настраиваемой ширине запрещенной зоны специальные электронные компоненты могут быть изготовлены на заказ для приложений, требующих определенной ширины запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны может быть уменьшена до 0,1 эВ, что значительно меньше, чем ширина запрещенной зоны (0,4 эВ) в традиционных полевых транзисторах (FET).

Для индукции легирования n-типа в силицене требуется легирующая добавка щелочного металла . Изменение количества регулирует ширину запрещенной зоны. Максимальное легирование увеличивает ширину запрещенной зоны на 0,5 эВ. Из-за сильного легирования напряжение питания также должно быть c. 30В. Силицен, легированный щелочными металлами, может производить только полупроводники n-типа ; современная электроника требует дополнительных переходов n-типа и p-типа . Нейтральное легирование (i-типа) требуется для производства таких устройств, как светоизлучающие диоды ( светодиоды ). В светодиодах для получения света используется штыревой переход. Для получения силицена с примесью p-типа необходимо ввести отдельную легирующую добавку. Силицен, активированный иридием (Ir), позволяет создавать силицен p-типа. Благодаря легированию платиной (Pt) возможно получение силицена i-типа. Благодаря комбинации легированных структур n-типа, p-типа и i-типа силицен имеет возможности для использования в электронике.

Рассеивание мощности в традиционных металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторах ( MOSFET ) создает узкое место при работе с наноэлектроникой. Туннельные полевые транзисторы (TFET) могут стать альтернативой традиционным MOSFET, поскольку они могут иметь меньший подпороговый наклон и напряжение питания, что снижает рассеиваемую мощность. Вычислительные исследования показали, что TFET на основе силицена превосходят традиционные MOSFET на основе кремния. Силиценовые TFET имеют ток в открытом состоянии более 1 мА / мкм, подпороговую крутизну 77 мВ / декаду и напряжение питания 1,7 В. При таком значительном увеличении тока в открытом состоянии и пониженном напряжении питания рассеиваемая мощность в этих устройствах снижается. намного ниже, чем у традиционных MOSFET и аналогичных TFET.

Крупным планом - одно шестиугольное кольцо в силицене с видимой изогнутой структурой.

Характеристики

2D-силицен не является полностью плоским, очевидно, с искажениями в кольцах, напоминающими стул. Это приводит к появлению упорядоченной ряби на поверхности. Гидрирование silicenes к silicanes является экзотермическим . Это привело к предсказанию, что процесс превращения силицена в силикан (гидрированный силицен) является кандидатом на хранение водорода . В отличие от графита, который состоит из слабо удерживаемых стопок графеновых слоев за счет дисперсионных сил, межслоевое взаимодействие в силиценах очень сильное.

Выпучивание гексагональной структуры силицена вызвано псевдо-ян-теллеровским искажением (PJT). Это вызвано сильной вибронной связи с незанятых молекулярных орбиталей (УМО) и занятых молекулярных орбиталей (ОМО). Эти орбитали достаточно близки по энергии, чтобы вызвать искажение высокосимметричных конфигураций силицена. Изогнутая структура может быть сглажена путем подавления искажения PJT за счет увеличения энергетического зазора между UMO и OMO. Это можно сделать, добавив ион лития .

Помимо потенциальной совместимости с существующими полупроводниковыми технологиями, силицен имеет то преимущество, что его края не проявляют реакционной способности к кислороду.

В 2012 г. несколько групп независимо друг от друга сообщили об упорядоченных фазах на поверхности Ag (111). Результаты измерений с помощью сканирующей туннельной спектроскопии и фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES), по-видимому, показали, что силицен будет иметь такие же электронные свойства, что и графен, а именно электронную дисперсию, напоминающую дисперсию релятивистских фермионов Дирака в точках K зоны Бриллюэна , но Позднее была оспорена интерпретация, и было показано, что она возникает из-за полосы субстрата. Для интерпретации результатов ARPES использовалась техника разворачивания полос, что позволило выявить субстратное происхождение наблюдаемой линейной дисперсии.

Сообщается, что помимо серебра на ZrB растет силицен.
2, и иридий . Теоретические исследования показали, что силицен устойчив на поверхности Al (111) в виде монослоя с сотовой структурой (с энергией связи, аналогичной той, что наблюдается на поверхности Ag (111) 4x4), а также в виде новой формы, получившей название «полигональный силицен», его структура, состоящая из 3-, 4-, 5- и 6-сторонних многоугольников.

Механизм pd-гибридизации между Ag и Si важен для стабилизации почти плоских кластеров кремния и эффективности подложки Ag для роста силицена, что объясняется расчетами методом DFT и моделированием молекулярной динамики . Уникальная гибридизированная электронная структура эпитаксиального силицена 4 × 4 на Ag (111) определяет высокую химическую реакционную способность поверхности силицена, которая обнаруживается с помощью сканирующей туннельной микроскопии и фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением. Гибридизация между Si и Ag приводит к металлическому состоянию поверхности, которое может постепенно разрушаться из-за адсорбции кислорода. Рентгеновская фотоэмиссионная спектроскопия подтверждает разъединение связей Si-Ag после обработки кислородом, а также относительную устойчивость поверхности Ag (111) к кислороду, в отличие от силицена 4 × 4 [по отношению к Ag (111)].

Функционализированный силицен

Помимо структуры чистого силицена, исследования функционализированного силицена привели к успешному росту органодифицированного силицена - бескислородных слоев силицена, функционализированных фенильными кольцами . Такая функционализация позволяет равномерно диспергировать структуру в органических растворителях и указывает на потенциал для ряда новых функционализированных кремниевых систем и кремнийорганических нанолистов.

Силиценовые транзисторы

Научно - исследовательская лаборатория армии США поддерживают исследования по силицену начиная с 2014 г. Заявленными целями для научно - исследовательских работ были для анализа атомного масштаба материалов, таких как силицен, для свойств и функциональных возможностей за пределами существующих материалов, такими как графно. В 2015 году Деджи Акинванде руководил исследователями Техасского университета в Остине совместно с группой Алессандро Молле из CNR, Италия, и в сотрудничестве с Исследовательской лабораторией армии США и разработал метод стабилизации силицена в воздухе и сообщил о функциональном эффекте поля силицена. транзисторное устройство. Материал рабочего транзистора должен иметь запрещенную зону и функционировать более эффективно, если он обладает высокой подвижностью электронов. Запрещенная зона - это область между валентной зоной и зоной проводимости в материале, где нет электронов. Хотя графен обладает высокой подвижностью электронов , процесс образования запрещенной зоны в материале снижает многие другие его электрические потенциалы.

Поэтому были проведены исследования по использованию аналогов графена, таких как силицен, в качестве полевых транзисторов. Несмотря на то, что естественное состояние силицена также имеет нулевую запрещенную зону, Акинванде и Молл с коллегами в сотрудничестве с Исследовательской лабораторией армии США разработали силиценовый транзистор. Они разработали процесс, называемый «расслоение в силиценовой инкапсуляции с собственными электродами» (SEDNE), чтобы преодолеть нестабильность силицена в воздухе. Полученная в результате стабильность, как утверждается, связана с pd-гибридизацией Si-Ag. Они вырастили слой силицена поверх слоя Ag посредством эпитаксии и покрыли оба глиноземом (Al 2 O 3 ). Силицен, Ag и Al 2 O 3 хранили в вакууме при комнатной температуре и наблюдали в течение отслеживаемого периода в два месяца. Образец подвергся рамановской спектроскопии для проверки на наличие признаков разложения, но ничего не было обнаружено. Затем этот сложный пакет был уложен поверх подложки из SiO 2 серебром вверх. Ag удаляли тонкой полоской посередине, чтобы обнажить силиценовый канал. Силиценовый канал на подложке просуществовал две минуты на воздухе, пока не потерял характерные спектры комбинационного рассеяния света. Сообщалось о ширине запрещенной зоны примерно 210 мэВ. Влияние подложки на силицен при развитии запрещенной зоны объясняется рассеянием границ зерен и ограниченным переносом акустических фононов , а также нарушением симметрии и эффектом гибридизации между силиценом и подложкой. Акустические фононы описывают синхронное движение двух или более типов атомов от их положения равновесия в структуре решетки.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки