Силицен

СТМ изображение первого (4×4) и второго (√3×√3-β) слоев силицена на тонкой плёнке серебра. Размер изображения 16 × 16 нм.[1]

Силице́н (англ. silicene) — двумерное аллотропное соединение кремния, подобное графену, в котором по крайней мере часть атомов находится в sp2-гибридизации[2].

История

Хотя теоретики рассуждали[3][4][5] о существовании и возможных свойствах силицена с середины 1990-х годов, он не был обнаружен до 2010 года, когда исследователи в первый раз наблюдали структуры кремния, похожие на силицен[6][7][8]. Используя сканирующий туннельный микроскоп, они изучили с атомарным разрешением самособранные силиценовые наноленты и силиценовые листы, выращенные на кристалле серебра.

Структура типичного силиценового кластера.

Вычисления согласно теории функционала плотности показали, что атомы кремния образуют сотовые конструкции на серебре с небольшими искривлениями, которые делают графеноподобные конфигурации более вероятными.

В 2012 году силицен был выращен на подложке из диборида циркония ZrB2[9].

Структура и свойства

Структура силицена является метастабильной[10], в отличие от графена он легко взаимодействует с окружающей средой: окисляется на воздухе и связывается с другими материалами[11]. Силицен проявляет сильную склонность к образованию неровностей и гребней на его поверхности, что может являться следствием характера взаимодействия соседних атомов кремния, которые не склонны к образованию sp2-связей[12]: разные расчёты говорят о том, что высота неровностей составляет 0.44 — 0.53 Å. Носители заряда в силицене описываются уравнением Дирака для безмассовых частиц[10], как и в графене, приводящей к линейному закону дисперсии, но существенным преимуществом силицена является возможность управления шириной запрещённой зоны, что важно для практического применения материала[10][13]. Предполагается, что по своим свойствам силицен может быть близок к топологическим изоляторам[11]. При помощи квантовомеханических расчётов было получено, что модуль Юнга в силицене составляет 178 ГПа и была показана возможность управлять электропроводностью силицена путём его механического растяжения, переводя его из состояния полуметалла в металл[14]. Моделирование методом молекулярной динамики даёт меньшее значение для модуля Юнга: около 82 ГПа[15]. При помощи теории функционала плотности показано, что подвижность носителей заряда в силицене составляет 2.57·105 м2/(В·с) при комнатной температуре[16].

Возможные применения

Силицен совместим с кремниевой электроникой, поскольку сам состоит из кремния[17], поэтому предполагается, что он найдёт широкое применение, например, в производстве транзисторов[18]. В дополнение к его потенциальной совместимости с существующей полупроводниковой техникой, силицен имеет преимущество малой окисляемости кислородом вблизи границы с оксидом кремния[19]. Расчёты по теории функционала плотности показали, что силиценовые плёнки являются отличными материалами для изготовления полевых транзисторов. Поскольку плоская структура для силицена энергетически невыгодна, он характеризуется упорядоченными искажениями на поверхности и повышенной гибкостью по сравнению с графеном, что также увеличивает спектр его применения в электронике[20]. В 2015 году впервые продемонстрирована технология создания транзистора на основе силицена[21][22]. Существуют исследования, свидетельствующие в пользу возможности применения силицена для создания анода в натрий-ионных аккумуляторах[23]. Вследствие особенностей адсорбции газов на своей поверхности силицен может найти применение в области высокочувствительных молекулярных сенсоров[24].

Литература

Spencer M. J. S., Morishita T. Silicene: Structure, Properties and Applications, Springer Series in Materials Science, Volume 235. ISBN 978-3-319-28342-5. Springer International Publishing Switzerland, 2016. — 2016. — ISBN 978-3-319-28342-5.

Примечания

  1. ↑ Sone Junki, Yamagami Tsuyoshi, Aoki Yuki, Nakatsuji Kan, Hirayama Hiroyuki. Epitaxial growth of silicene on ultra-thin Ag(111) films // New Journal of Physics. — 2014. — 17 сентября (т. 16, № 9). — С. 095004. — ISSN 1367-2630. — doi:10.1088/1367-2630/16/9/095004. [исправить]
  2. ↑ Antoine Fleurence, Rainer Friedlein, Taisuke Ozaki, Hiroyuki Kawai, Ying Wang. Experimental Evidence for Epitaxial Silicene on Diboride Thin Films (англ.) // Physical Review Letters. — 2012-06-11. — Vol. 108, iss. 24. — P. 245501. — ISSN 1079-7114 0031-9007, 1079-7114. — doi:10.1103/PhysRevLett.108.245501.
  3. ↑ Kyozaburo Takeda and Kenji Shiraishi. Theoretical possibility of stage corrugation in Si and Ge analogs of graphite (англ.) // Physical Review B : journal. — 1994. — Vol. 50. — P. 14916. — doi:10.1103/PhysRevB.50.14916.
  4. ↑ G. G. Guzman-Verri and L. C. Lew Yan Voon. Electronic structure of silicon-based nanostructures (англ.) // Physical Review B : journal. — 2007. — Vol. 76. — P. 075131. — doi:10.1103/PhysRevB.76.075131.
  5. ↑ Cahangirov, Topsakal, Akturk, Sahin and Ciraci. Two- and One-Dimensional Honeycomb Structures of Silicon and Germanium (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2009. — Vol. 102. — P. 236804. — doi:10.1103/PhysRevLett.102.236804.
  6. ↑ B. Aufray, A. Kara, S. Vizzini, H. Oughaddou, C. Léandri, B. Ealet and G. Le Lay. Graphene-like silicon nanoribbons on Ag(110): A possible formation of silicene (англ.) // Applied Physics Letters : journal. — 2010. — Vol. 96. — P. 183102.
  7. ↑ Research highlight. Silicene: Flatter silicon (англ.) // Nature Nanotechnology : journal. — 2010. — Vol. 5. — P. 384. — doi:10.1038/nnano.2010.124.
  8. ↑ B. Lalmi, H. Oughaddou, H. Enriquez, A. Kara, S. Vizzini, B. Ealet and B. Aufray. Epitaxial growth of a silicene sheet (англ.) // Applied Physics Letters : journal. — 2010. — Vol. 97. — P. 223109.
  9. ↑ A. Fleurence, R. Friedlein, Y. Wang and Y. Yamada-Takamura. Experimental evidence for silicene on ZrB2(0001) (рум.) // Symposium on Surface and Nano Science 2011 (SSNS'11)，Shizukuishi, Japan，2011.01.21.
  10. ↑ 1 2 3 N. D. Drummond, V. Zólyomi, V. I. Fal'ko. Electrically tunable band gap in silicene // Physical Review B. — 2012-02-22. — Т. 85, вып. 7. — С. 075423. — doi:10.1103/PhysRevB.85.075423.
  11. ↑ 1 2 Geoff Brumfiel. Sticky problem snares wonder material (англ.) // Nature. — 2013-03-01. — Vol. 495, iss. 7440. — P. 152–153. — ISSN 1476-4687. — doi:10.1038/495152a.
  12. ↑ Michelle Spencer, Tetsuya Morishita. Silicene: Structure, Properties and Applications. — Springer, 2016-02-19. — 283 с. — ISBN 978-3-319-28344-9.
  13. ↑ Zeyuan Ni, Qihang Liu, Kechao Tang, Jiaxin Zheng, Jing Zhou. Tunable Bandgap in Silicene and Germanene // Nano Letters. — 2012-01-11. — Т. 12, вып. 1. — С. 113–118. — ISSN 1530-6984. — doi:10.1021/nl203065e.
  14. ↑ G. Liu, M. S. Wu, C. Y. Ouyang, B. Xu. Strain-induced semimetal-metal transition in silicene // EPL (Europhysics Letters). — 2012-07-01. — Т. 99, вып. 1. — С. 17010. — ISSN 1286-4854 0295-5075, 1286-4854. — doi:10.1209/0295-5075/99/17010.
  15. ↑ Qing-Xiang Pei, Zhen-Dong Sha, Ying-Yan Zhang, Yong-Wei Zhang. Effects of temperature and strain rate on the mechanical properties of silicene (англ.) // Journal of Applied Physics. — 2014-01-14. — Vol. 115, iss. 2. — P. 023519. — ISSN 1089-7550 0021-8979, 1089-7550. — doi:10.1063/1.4861736. Архивировано 29 декабря 2017 года.
  16. ↑ Zhi-Gang Shao, Xue-Sheng Ye, Lei Yang, Cang-Long Wang. First-principles calculation of intrinsic carrier mobility of silicene // Journal of Applied Physics. — 2013-09-06. — Т. 114, вып. 9. — С. 093712. — ISSN 0021-8979. — doi:10.1063/1.4820526. Архивировано 2 августа 2022 года.
  17. ↑ Patrick Vogt, Paola De Padova, Claudio Quaresima, Jose Avila, Emmanouil Frantzeskakis. Silicene: Compelling Experimental Evidence for Graphenelike Two-Dimensional Silicon // Physical Review Letters. — 2012-04-12. — Т. 108, вып. 15. — С. 155501. — doi:10.1103/PhysRevLett.108.155501.
  18. ↑ Alessandro Molle, Carlo Grazianetti, Li Tao, Deepyanti Taneja, Md. Hasibul Alam. Silicene, silicene derivatives, and their device applications (англ.) // Chemical Society Reviews. — 2018. — Vol. 47, iss. 16. — P. 6370–6387. — ISSN 1460-4744 0306-0012, 1460-4744. — doi:10.1039/C8CS00338F.
  19. ↑ P. De Padova, C. Léandri, S. Vizzini, C. Quaresima, P. Perfetti, B. Olivieri, H. Oughaddou, B. Aufray and G. Le Lay. Burning Match Oxidation Process of Silicon Nanowires Screened at the Atomic Scale (англ.) // NanoLetters[англ.] : journal. — 2008. — Vol. 8. — P. 2299.
  20. ↑ Deepthi Jose, Ayan Datta. Structures and Electronic Properties of Silicene clusters: A promising material for FET and hydrogen storage (англ.) // Phys. Chem. Chem. Phys.[англ.] : journal. — 2011. — Vol. 13. — P. 7304.
  21. ↑ Продемонстрирован первый транзистор на основе аналога графена — силицена — Русские Викиновости
  22. ↑ Tao, L. et al. Silicene field-effect transistors operating at room temperature (англ.) // Nature Nanotechnol : journal. — 2015. — doi:10.1038/NNANO.2014.325.
  23. ↑ Jiajie Zhu, Udo Schwingenschlögl. Silicene for Na-ion battery applications // 2D Materials. — 2016-08-19. — Т. 3, вып. 3. — С. 035012. — ISSN 2053-1583. — doi:10.1088/2053-1583/3/3/035012.
  24. ↑ S. M. Aghaei, M. M. Monshi, I. Calizo. A theoretical study of gas adsorption on silicene nanoribbons and its application in a highly sensitive molecule sensor (англ.) // RSC Advances. — 2016. — Vol. 6, iss. 97. — P. 94417–94428. — ISSN 2046-2069. — doi:10.1039/C6RA21293J.

Ссылки

  • S. Lebegue et al. Electronic structures of two-dimensional crystals from ab initio theory (англ.) // Physical Review B : journal. — 2009. — Vol. 79. — P. 115409.
  • M. De Crescenzi et al. Experimental imaging of silicon nanotubes (англ.) // Applied Physics Letters : journal. — 2005. — Vol. 86. — P. 231901.
  • A. Kara, C. Léandri, M. E. Dávila, P. De Padova, B. Ealet, H. Oughaddou, B. Aufray and G. Le Lay. Physics of Silicene Stripes (неопр.) // J. Supercond. Novel Magn.. — 2009. — Т. 22. — С. 259.
  • A. Kara, S. Vizzini, C. Leandri, B. Ealet, H. Oughaddou , B. Aufray and G. LeLay. Silicon nano-ribbons on Ag(110): a computational investigation (англ.) // Journal of Physics: Condensed Matter[англ.] : journal. — 2010. — Vol. 22. — P. 045004.
  • P. De Padova, C. Quaresima, C. Ottaviani, P. M. Sheverdyaeva, P. Moras, C. Carbone, D. Topwal, B. Olivieri, A. Kara, H. Oughaddou, B. Aufray and G. Le Lay. Evidence of graphene-like electronic signature in silicene nanoribbons (англ.) // Applied Physics Letters : journal. — 2010. — Vol. 96. — P. 261905. — doi:10.1063/1.3459143.
  • Y.L. Song, Y. Zhang, J.M. Zhang, D.B. Lu and K.W. Xu. Can silicon behave like graphene? A first-principles study (англ.) // Applied Physics Letters : journal. — 2010. — Vol. 97. — P. 112106. — doi:10.1038/4591037e.
  • Geoff Brumfiel (2013-03-12). "Sticky problem snares wonder material". Nature News. Дата обращения: 13 марта 2013.