Autodestrukcyjne właściwości silicenu (krzemenu)

SWNH

Silicen (z ang. silicene), czy jak chcą niektórzy – krzemen, to dwuwymiarowa alotropowa odmiana krzemu, podobna do grafenu. Koncepcję sześciokątnych, przypominające pszczeli plaster nanostruktur zbudowanych z atomów krzemu zaproponowano w 2007 roku. Teraz, naukowcom z MESA+ na University of Twente udało się sfilmować w czasie rzeczywistym powstawanie pojedynczej warstwy silicenu na podłożu ze srebra. Niestety, materiału szumnie zapowiadanego jako pogromca grafenu nie można było ustabilizować.

Po raz pierwszy, struktury krzemowe wskazujące na silicen zaobserwowano w 2010 roku podczas kondensacji par krzemu w nanowstążki na podłożu Ag ze wskaźnikami płaszczyzny [110] oraz [111]. Wzór plastra miodu na powierzchni został uchwycony podczas badań tunelowym mikroskopem skaningowym (z ang. scanning tunneling microscopy), a obliczenia gęstości teoretycznej potwierdziły możliwość spontanicznego tworzenie nowych struktur przez atomy krzemu [4]. Jednak taki model został unieważniony dla Si/Ag[110], ponieważ zanotowano rekonstrukcję powierzchni Ag (uwolnienie atomów srebra) podczas osadzania krzemu. Zdefektowana warstwa pod nanowstążką była odpowiedzialna za wyświetlanie sześciokątnych artefaktów [5]. W 2012 roku badacze z Japan Advanced Institute of Science and Technology w Ishikawie poinformowali o utworzeniu warstwy silicenu na podłożu z materiału ceramicznego, a mianowicie z dwuborku cyrkonu ZrB2. Podłoże zostało odparowane uprzednio na wafel krzemowy – Si[111] [6]. Na początku 2013 roku, w artykule opublikowanym w czasopiśmie Nano Letters opisano metodę fabrykacji dwuwymiarowych konstrukcji krzemowych przypominających pszczeli plaster na podstawie z irydu – Ir[111] [7].

Typowa, pofałdowana struktura warstwy silicenu.

Typowa, pofałdowana struktura warstwy silicenu.

Ze względu na swoje unikalne właściwości fizyczne, materiały dwuwymiarowe przyciągają ogromną uwagę naukowców i przemysłu. Najpopularniejszym przedstawicielem tej grupy jest grafen. Naukowcy nie opracowali jeszcze taniego i masowego sposobu jego produkcji, a już niektórzy uczeni i dziennikarze namaścili silicen jego pełnoprawnym następcą. Nowe dane teoretyczne i empiryczne ciągle dostarczają kolejnych dowodów potwierdzających korzystne właściwości przewodzące pojedynczej warstwy atomów krzemu. Inżynierowie oczekują, że przewagą silicenu nad grafenem będzie stosunkowa łatwość włączenia jego struktur do istniejącej elektroniki, także bazującej na krzemie. Pierścien silicenu w przeciwieństwie do grafenu nie jest całkowicie płaski, gdyż jego zamknięcie powoduje symetryczne wyboczenie niektórych atomów. Złamana symetria (efekt Jahna-Tellera, czyli odkształcenie w kompleksach oktaedrycznych, tutaj oznaczone jako pseudoefekt) powoduje powstawanie pasma wzbronionego w obecności zewnętrznego pola elektrycznego, które jest warunkiem wstępnym do wykonania tranzystora. Dodatkowo, obliczenia teoretyczne wskazują na to, że nośniki ładunków w warstwie silicenu mogą (podobnie jak w grafenie) zachowywać się jak bezmasowe fermiony Diraca, dla których zależność energii od pędu jest liniowa. Oprócz tego, materiał ma spełniać warunkami konieczne do zaobserwowania kwantowego efektu Halla [8]. Silicen jest także kandydatem do magazynowania wodoru, gdyż krzem preferuje hybrydyzację sp3 nad sp2, a dzięki temu uwodornienie zachodzi dużo łatwiej. Jak dotąd, chemikom nie udało się zsyntetyzować silicenu bez podłoża.

Heksagonalny pierścień silicenu z widocznym wyboczeniem atomów.

Heksagonalny pierścień silicenu z widocznym wyboczeniem atomów.

Nawiązując do poprzednich badań, naukowcy z MESA+ nagrali bezpośrednio próbę z tworzenia warstwy silicenu na podstawie z Ag[111]. Odparowali atomy krzemu na powierzchnię srebra tak, że powstała pojedyncza, prawie zamknięta powłoka z silicenu. Jednak w momencie, gdy pewna ilość atomów krzemu z układu weszła w kontakt z niestabilną warstwą dwuwymiarowego materiału, zaobserwowano formowanie się kryształów Si o trójwymiarowej strukturze diamentu. Zapoczątkowało to nieodwracalny proces dalszej krystalizacji i zabudowanie konstrukcji silicenu. Badacze tłumaczą to zjawisko korzystniejszymi warunkami energetycznymi krystalograficznego układu regularnego w porównaniu ze strukturą plastra miodu. Wzrost ciśnienia rozprzestrzenia atomów napędzał nukleację (zarodkowanie) na powierzchni silicenu (forma stabilnego krzemu osiągana jest w hybrydyzacji sp3).

Z powodu tego typu komplikacji, naukowcom nie udało się osiągnąć więcej niż 97% pokrycia powierzchni podłoża, ani też nie byli w stanie wytworzyć wielowarstwowego silicenu. Innymi słowy, w chwili gdy powierzchnia była prawie całkowicie pokryta jednoatomową warstwą, zaczynały się tworzyć regularne, trójwymiarowe formy krzemu. Badacze komentując wyniki eksperymentu stwierdzili, że nie można oczekiwać produkcji wielowarstwowego silicenu nawet na innych rodzajach podłoża, ponieważ jej wpływ na formowanie drugiej warstwy silicenu jest nieznaczny. Z pewnością minie jeszcze sporo czasu, zanim przedwcześnie okrzyknięty pogromca grafenu doczeka się (jeśli w ogóle) wdrożenia do masowej produkcji.

Film jest własnością University of Twente. Najpierw osadzono atomy krzemu na powierzchni srebra (szary kolor, początku filmu). Następnie stopniowo tworzyły się ośrodki silicenu (czarne kropki, w połowie filmu). W momencie prawie całkowitego pokrycia powierzchni następuje załamanie silicenu w kryształy krzemu (czarne kropki w szarych obwódkach, koniec filmu).

Źródło:
[1] The instability of silicene on Ag(111). A. Acun, B. Poelsema, H. J. W. Zandvliet and R. van Gastel. Appl. Phys. Lett. 103, 263119 (2013); http://dx.doi.org/10.1063/1.4860964
[2] http://scitation.aip.org/docserver/fulltext/aip/journal/apl/103/26/1.4860964.pdf  [15.01.2014]
[3] http://www.utwente.nl/en/newsevents/2014/1/38044/wonder-material-silicene-has-suicidal-tendencies [15.01.2014]
[4] http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/96/18/10.1063/1.3419932 [15.01.2014]
[5] http://prb.aps.org/abstract/PRB/v88/i12/e121411 [15.01.2014]
[6] http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i15/e155501 [15.01.2014]
[7] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl304347w [15.01.2014]
[8] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ar400180e [15.01.2014]
[9] Silicene buckling by Jojko.sivek (Own work), CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons
[10] Silicene Cluster by Ayandatta (Own work), CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons
[11] SWNH100nm by Lengmartin (Own work), CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *