سیلیسین

سیلیسین (به انگلیسی: Silicene) یک دگرشکل دو-بعدی سیلیسیم با ساختار شش‌ضلعی لانه‌زنبوری مانند گرافین است. بر خلاف گرافین، سیلیسین مسطح نیست، اما یک توپولوژی خمیده‌ی تناوبی دارد؛ اتصال بین لایه‌ها در سیلیسین بسیار قوی‌تر از گرافین چند لایه‌ است؛ و فرم اکسید شده‌ی سیلیسین، سیلیکای دو-بعدی، دارای ساختار شیمیایی بسیار متفاوتی از اکسید گرافین است.

ساختار سیلیسین، نشان‌دهنده وجود موج در سطح شبکه

تاریخچه

با وجود این که نظریه‌پردازها در مورد وجود و خواص احتمالی سیلیسین حدس و گمان‌هایی زده بودند،[1][2][3] محققان اولین بار در سال ۲۰۱۰ ساختارهای سیلیسیمی را که حاکی از سیلیسین بودند، مشاهده کردند.[4][5] آن‌ها با استفاده از یک میکروسکوپ تونلی روبشی، نانوروبان‌ها و ورقه‌های خودسامان‌یافته سیلیسین را که بر روی یک کریستال نقره-۱۱۰ و نقره-۱۱۱ ته‌نشین شده بودند، با دقت اتمی مطالعه کردند. تصاویر، شش‌ضلعی‌هایی را نشان دادند که در یک ساختار لانه‌زنبوری مشابه ساختار گرافین قرار گرفته بودند، اما این شش‌ضلعی‌ها از سطح نقره آغاز شده بودند.[6] محاسباتی که با استفاده از نظریه تابعی چگالی انجام شده بود نشان می‌داد که اتم‌های سیلیسیم تمایل به ایجاد این‌گونه ساختارهای لانه‌زنبوری بر روی نقره و اتخاذ یک انحنای خفیف دارند، که احتمال پیکربندی گرافین‌گونه را بالا می‌برد. با این‌ حال، چنین مدلی برای سیلیسیم/نقره-۱۱۰ رد شده است: سطح نقره نشان‌دهنده‌ی یک ردیف گم‌شده به محض جذب سیلیسیم است[7] و ساختارهای لانه‌زنبوری مشاهده‌شده مصنوعات نوک هستند.[8]

در ادامه در سال ۲۰۱۳ میلادی بازسازی دمبل‌گونه در سیلیسین کشف شد[9] که سازوکارهای تشکیل سیلیسین لایه‌ای[10] و سیلیسین روی نقره را توجیه می‌کند.[11]

در سال ۲۰۱۵، یک ترانزیستور اثر میدان سیلیسینی تست شد[12] که فرصت‌های جدیدی را برای سیلیسیم دو-بعدی جهت مطالعات متعدد علوم بنیادی و کاربردهای الکترونیکی ایجاد می‌کند.[13][14][15]

شباهت‌ها و تفاوت‌ها با گرافین
نمای نزدیک از حلقهٔ شش‌تایی سیلیسین با ساختار خمیده

سیلیسیم و کربن اتم‌های مشابهی هستند. در یک گروه جدول تناوبی قرار دارند و هر دو ساختار الکترونی s2p2 دارند. ساختار دو-بعدی سیلیسین و گرافین نیز شبیه است اما تفاوت‌های مهمی دارد.[16] با وجود این که هر دو ساختار شش‌ضلعی دارند، گرافین کاملا مسطح است، در حالی که سیلیسین شکل شش‌ضلعی خمیده‌ای دارد. ساختار خمیده‌ی سیلیسین با اعمال یک میدان الکتریکی خارجی به آن یک شکاف انرژی قابل تنظیم می‌دهد. واکنش هیدروژنه کردن سیلیسین نیز گرمازاتر از گرافین است. یک تفاوت دیگر هم آن است که از آن جا که پیوندهای کووالانسی سیلیسیم انباشته‌گی π-π ندارند، سیلیسین در یک فرم گرافیت‌گونه جمع نمی‌شود. تشکیل یک ساختار خمیده در سیلیسین برخلاف ساختار مسطح گرافین به اعوجاجات شدید شبه جان-تلر ناشی از ارتعاش الکترونی بین حالت‌های الکترونی پر و خالی فاصله نزدیک نسبت داده شده است.[17]

سیلیسین و گرافین ساختارهای الکترونی مشابهی دارند. هر دو یک مخروط دیراک و پراکندگی الکترونی خطی اطراف نقاط دیراک دارند. هر دو جلوه کوانتومی اسپین هال دارند. انتظار می‌رود که هر دو دارای مشخصات فرمیون‌های بدون جرم دیراک که بار را حمل می‌کنند باشند، ولی این موضوع برای سیلیسین فقط پیش‌بینی و تا به حال مشاهده نشده‌ است، احتمالا به این دلیل که انتظار می‌رود فقط با وجود سیلیسین مستقل که سنتز نشده است رخ دهد. اعتقاد بر این است که بستری که سیلیسین روی آن ساخته می‌شود تاثیر قابل توجهی بر خصوصیات الکترونیکی آن دارد.[17]

بر خلاف اتم‌های کربن در گرافین، اتم‌های سیلیسیم در سیلیسین هیبریداسیون sp3 را به sp2 ترجیح می‌دهند، که که آن را از نظر شیمیایی در سطح بسیار فعال می کند و به اجازه می‌دهد تا حالت‌های الکترونی آن به راحتی توسط عملکرد شیمیایی تنظیم شوند.[18]

در مقایسه با گرافین، سیلیسین چندین مزیت برجسته دارد: ۱. یک اتصال اسپین-مدار قوی‌تر، ۲. قابلیت تنظیم بهتر شکاف انرژی، و ۳. قطبش دره آسان‌تر و مناسب‌تر برای مطالعه‌ی valleytronics.[19]

شکاف انرژی

مطالعات اولیه در مورد سیلیسین نشان داد که ناخاصی‌های مختلف درون ساختار سیلیسین توانایی تنظیم شکاف انرژی آن را فراهم می‌کند.[20]

اخیرا، شکاف انرژی در سیلیسین اپیتکسیال توسط اداتم‌های اکسیژن از نوع شکاف-صفر به نوع نیمه‌رسانا تنظیم شده است.[18] با یک شکاف انرژی قابل تنظیم، اجزای الکترونیکی خاصی را می‌توان برای کاربردهایی که به شکاف انرژی خاصی نیاز دارند، ساخت. شکاف انرژی را می‌توان به ۰.۱ الکترون‌ولت کاهش داد، که به طور قابل توجهی کوچک‌تر از شکاف انرژی است که در ترانزیستورهای اثر میدان مرسوم (۰.۴ الکترون‌ولت) وجود دارد.[20]

القای ناخالصی نوع n در سیلیسین نیاز به ناخالصی از نوع فلز قلیایی دارد. تغییر دادن مقدار آن شکاف انرژی را تنظیم می‌کند. ناخالص‌سازی حداکثری شکاف انرژی را ۰.۵ الکترون‌ولت افزایش می‌دهد. به دلیل ناخالص‌سازی زیاد، ولتاژ تغذیه نیز باید ۳۰ ولت باشد. سیلیسین ناخالص‌شده با فلز قلیایی فقط توانایی تولید نیمه‌رسانای نوع n را دارد؛ دستگاه‌های الکترونیک مدرن نیاز به یک اتصال نوع n و p مکمل دارند. برای تولید دستگاه‌هایی مانند دیودهای نورافشان (LED) ناخالص‌سازی خنثی (نوع i) لازم است. LED ها از اتصال p-i-n برای تولید نور استفاده می‌کنند. برای تولید سیلیسین ناخالص‌شده‌ی نوع p باید یک ناخالص مجزا استفاده شود. سیلیسین ناخالص‌شده با ایریدیم اجازه‌ی تولید سیلیسین از نوع p را می‌دهد. از طریق ناخالص‌سازی با پلاتین، سیلیسین از نوع i نیز امکان‌پذیر است.[20] با ترکیب ساختارهای ناخالص‌شده‌ی نوع n ، p و i، سیلیسین فرصت‌ استفاده در صنعت الکترونیک را دارد.

خواص

سیلیسین دو-بعدی کاملا مسطح نیست و اعوجاجات صندلی‌گونه در حلقه‌هایش دارد. این موضوع باعث ایجاد موج‌های سطحی منظم می‌شود. هیدروژناسیون سیلیسین به سیلان فرایندی گرمازا است. این موضوع باعث این پیش‌بینی شد که فرایند تبدیل سیلیسین به سیلان نامزد ذخیره‌سازی هیدروژن است. برخلاف گرافیت، که از دسته‌های ضعیف نگه‌داشته‌ شده‌ی لایه‌های گرافینی از طریق نیروهای پراکندگی تشکیل شده است، اتصال‌های بین لایه‌ای در سیلیسین بسیار قوی است.

خمیده‌ بودن ساختار شش‌ضلعی سیلیسین ناشی از اثر شبه ژان-تلر است.[17]

سیلیسین علاوه بر سازگاری بالقوه با تکنیک‌های نیمه‌رسانای عادی، این مزیت را دارد که لبه‌هایش با اکسیژن واکنش نشان نمی‌دهند.[21]

در سال ۲۰۱۲ میلادی، چندین گروه به طور مستقل خبر از فازهای منظم در سطح نقره-۱۱۱ دادند.[22][23][24] به نظر می‌رسد نتایج حاصل از اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی تونل‌زنی روبشی[25] و طیف‌سنجی فوتون گسیلی با تفکیک زاویه‌ای نشانگر این است که سیلیسین دارای خواص الکترونیکی مشابه گرافین است، به عبارت دیگر پراکندگی الکترونی مشابه فرمیون‌های دیراک نسبی‌گرایانه در نقاط K منطقه بريليون،[22] اما بعدتر این تفسیر مورد مناقشه قرار گرفت و نشان داده شد که به دلیل وجود یک نوار لایه است.[26][27][28][29][30][31][32]

به جز نقره، گزارش داده شده است که سیلیسین روی دی‌برید زیرکونیم[33] و ایریدیم[34] نیز رشد می‌کند. مطالعات نظری پیش‌بینی کردند که سیلیسین در سطح آلومینیم-۱۱۱ به عنوان تک لایه‌ای که از نظر ساختاری، لانه‌زنبوری است، پایدار است. (با انرژی بستگی مشابه به آنچه در سطح نقره-۱۱۱ مشاهده می‌شود) همچنین یک فرم جدید با نام ”سیلیسین چندضلعی“ که ساختارش متشکل از چندضلعی‌های ۳، ۴، ۵ و ۶ وجهی است نیز پایدار است.[35]

فراتر از ساختار سیلیسین خالص، تحقیقات در مورد سیلیسین عامل‌دار شده باعث رشد موفقیت آمیز ورقه‌های ارگانیزه‌شده‌ی بدون اکسیژن سیلیسین با حلقه‌های فنیل شده است.[36] چنین عملکردی باعث پراکندگی یکنواخت ساختار در حلال‌های آلی می‌شود و پتانسیل طیف وسیعی از سیستم‌های سیلیسیمی کاربردی و نانوورقه‌های ارگانیک سیلیسیم را نشان می‌دهد.

جستارهای وابسته

سیلیکای دو-بعدی

بوروفین

ژرمانین

استانین

پلمبین

منابع
  1. Takeda, K.; Shiraishi, K. (1994). "Theoretical possibility of stage corrugation in Si and Ge analogs of graphite". Physical Review B. 50(20): 14916–14922. Bibcode:1994PhRvB..5014916T. doi:10.1103/PhysRevB.50.14916. PMID 9975837.
  2. Guzmán-Verri, G.; Lew Yan Voon, L. (2007). "Electronic structure of silicon-based nanostructures". Physical Review B. 76 (7): 075131. arXiv:1107.0075. Bibcode:2007PhRvB..76g5131G. doi:10.1103/PhysRevB.76.075131
  3. Cahangirov, S.; Topsakal, M.; Aktürk, E.; Şahin, H.; Ciraci, S. (2009). "Two- and One-Dimensional Honeycomb Structures of Silicon and Germanium". Physical Review Letters. 102(23): 236804 arXiv:0811.4412. Bibcode:2009PhRvL.102w6804C. doi:10.1103/PhysRevLett.102.236804. PMID 19658958.
  4. Aufray, B.; Kara, A.; Vizzini, S. B.; Oughaddou, H.; LéAndri, C.; Ealet, B.; Le Lay, G. (2010). "Graphene-like silicon nanoribbons on Ag(110): A possible formation of silicene". Applied Physics Letters. 96 (18): 183102. Bibcode:2010ApPhL..96r3102A. doi:10.1063/1.3419932
  5. Lalmi, B.; Oughaddou, H.; Enriquez, H.; Kara, A.; Vizzini, S. B.; Ealet, B. N.; Aufray, B. (2010). "Epitaxial growth of a silicene sheet". Applied Physics Letters. 97 (22): 223109. arXiv:1204.0523. Bibcode:2010ApPhL..97v3109L. doi:10.1063/1.3524215
  6. Lay, G. Le; Padova, P. De; Resta, A.; Bruhn, T.; Vogt, P. (2012-01-01). "Epitaxial silicene: can it be strongly strained?". Journal of Physics D: Applied Physics. 45 (39): 392001. Bibcode:2012JPhD...45M2001L. doi:10.1088/0022-3727/45/39/392001. ISSN 0022-3727
  7. Bernard, R.; Leoni, T.; Wilson, A.; Lelaidier, T.; Sahaf, H.; Moyen, E.; Assaud, L. C.; Santinacci, L.; Leroy, F. D. R.; Cheynis, F.; Ranguis, A.; Jamgotchian, H.; Becker, C.; Borensztein, Y.; Hanbücken, M.; Prévot, G.; Masson, L. (2013). "Growth of Si ultrathin films on silver surfaces: Evidence of an Ag(110) reconstruction induced by Si". Physical Review B. 88 (12): 121411. Bibcode:2013PhRvB..88l1411B. doi:10.1103/PhysRevB.88.121411
  8. Colonna, S.; Serrano, G.; Gori, P.; Cricenti, A.; Ronci, F. (2013). "Systematic STM and LEED investigation of the Si/Ag(110) surface". Journal of Physics: Condensed Matter. 25 (31): 315301. Bibcode:2013JPCM...25E5301C. doi:10.1088/0953-8984/25/31/315301. PMID 23835457
  9. Özçelik, V. Ongun; Ciraci, S. (2013-12-02). "Local Reconstructions of Silicene Induced by Adatoms". The Journal of Physical Chemistry C. 117 (49): 26305–26315. arXiv:1311.6657. Bibcode:2013arXiv1311.6657O. doi:10.1021/jp408647t
  10. Cahangirov, Seymur; Özçelik, V. Ongun; Rubio, Angel; Ciraci, Salim (2014-08-22). "Silicite: The layered allotrope of silicon". Physical Review B. 90 (8): 085426. arXiv:1407.7981. Bibcode:2014PhRvB..90h5426C. doi:10.1103/PhysRevB.90.085426.
  11. Cahangirov, Seymur; Özçelik, Veli Ongun; Xian, Lede; Avila, Jose; Cho, Suyeon; Asensio, María C.; Ciraci, Salim; Rubio, Angel (2014-07-28). "Atomic structure of the 3×3 phase of silicene on Ag(111)". Physical Review B. 90 (3): 035448. arXiv:1407.3186. Bibcode:2014PhRvB..90c5448C. doi:10.1103/PhysRevB.90.035448.
  12. Tao, L.; Cinquanta, E.; Chiappe, D.; Grazianetti, C.; Fanciulli, M.; Dubey, M.; Molle, A.; Akinwande, D. (2015). "Silicene field-effect transistors operating at room temperature". Nature Nanotechnology. 10 (3): 227–31. Bibcode:2015NatNa..10..227T. doi:10.1038/nnano.2014.325. PMID 25643256.
  13. Peplow, Mark (2 February 2015) "Graphene’s cousin silicene makes transistor debut". Nature News & Comment.
  14. Iyengar, Rishi (February 5, 2015). "Researchers Have Made Computer-Chip Transistors Just One Atom Thick". TIME.com.
  15. Davenport, Matt (February 5, 2015). "Two-Dimensional Silicon Makes Its Device Debut". acs.org.
  16. Garcia, J. C.; de Lima, D. B.; Assali, L. V. C.; Justo, J. F. (2011). "Group IV graphene- and graphane-like nanosheets". J. Phys. Chem. C. 115 (27): 13242. arXiv:1204.2875. doi:10.1021/jp203657w.
  17. Jose, D.; Datta, A. (2014). "Structures and Chemical Properties of Silicene: Unlike Graphene". Accounts of Chemical Research. 47 (2): 593–602. doi:10.1021/ar400180e. PMID 24215179.
  18. Du, Yi; Zhuang, Jincheng; Liu, Hongsheng; Zhuang, Jincheng; Xu, Xun; et al. (2014). "Tuning the Band Gap in Silicene by Oxidation". ACS Nano. 8 (10): 10019–25. arXiv:1412.1886. Bibcode:2014arXiv1412.1886D. doi:10.1021/nn504451t. PMID 25248135.
  19. Zhao, Jijun; Liu, Hongsheng; Yu, Zhiming; Quhe, Ruge; Zhou, Si; Wang, Yangyang; Zhong, Hongxia; Han, Nannan; Lu, Jing; Yao, Yugui; Wu, Kehui (2016). "Rise of silicene: A competitive 2D material". Progress in Materials Science. 83: 24–151. doi:10.1016/j.pmatsci.2016.04.001
  20. Ni, Z.; Zhong, H.; Jiang, X.; Quhe, R.; Luo, G.; Wang, Y.; Ye, M.; Yang, J.; Shi, J.; Lu, J. (2014). "Tunable band gap and doping type in silicene by surface adsorption: Towards tunneling transistors". Nanoscale. 6 (13): 7609–18. arXiv:1312.4226. Bibcode:2014Nanos...6.7609N. doi:10.1039/C4NR00028E. PMID 24896227.
  21. Padova, P. D.; Leandri, C.; Vizzini, S.; Quaresima, C.; Perfetti, P.; Olivieri, B.; Oughaddou, H.; Aufray, B.; Le Lay, G. L. (2008). "Burning Match Oxidation Process of Silicon Nanowires Screened at the Atomic Scale". Nano Letters. 8 (8): 2299–2304. Bibcode:2008NanoL...8.2299P. doi:10.1021/nl800994s. PMID 18624391.
  22. Vogt, P.; De Padova, P.; Quaresima, C.; Avila, J.; Frantzeskakis, E.; Asensio, M. C.; Resta, A.; Ealet, B. N. D.; Le Lay, G. (2012). "Silicene: Compelling Experimental Evidence for Graphenelike Two-Dimensional Silicon" بایگانی‌شده در ۹ اوت ۲۰۱۷ توسط Wayback Machine(PDF). Physical Review Letters. 108 (15): 155501. Bibcode:2012PhRvL.108o5501V. doi:10.1103/PhysRevLett.108.155501. PMID 22587265.
  23. Lin, C. L.; Arafune, R.; Kawahara, K.; Tsukahara, N.; Minamitani, E.; Kim, Y.; Takagi, N.; Kawai, M. (2012). "Structure of Silicene Grown on Ag(111)". Applied Physics Express. 5(4): 045802. Bibcode:2012APExp...5d5802L. doi:10.1143/APEX.5.045802
  24. Feng, B.; Ding, Z.; Meng, S.; Yao, Y.; He, X.; Cheng, P.; Chen, L.; Wu, K. (2012). "Evidence of Silicene in Honeycomb Structures of Silicon on Ag(111)". Nano Letters. 12 (7): 3507–3511. arXiv:1203.2745. Bibcode:2012NanoL..12.3507F. doi:10.1021/nl301047g. PMID 22658061.
  25. Chen, L.; Liu, C. C.; Feng, B.; He, X.; Cheng, P.; Ding, Z.; Meng, S.; Yao, Y.; Wu, K. (2012). "Evidence for Dirac Fermions in a Honeycomb Lattice Based on Silicon" بایگانی‌شده در ۱۴ ژوئن ۲۰۱۸ توسط Wayback Machine (PDF). Physical Review Letters. 109 (5): 056804. arXiv:1204.2642. Bibcode:2012PhRvL.109e6804C. doi:10.1103/PhysRevLett.109.056804. PMID 23006197.
  26. Guo, Z. X.; Furuya, S.; Iwata, J. I.; Oshiyama, A. (2013). "Absence of Dirac Electrons in Silicene on Ag(111) Surfaces". Journal of the Physical Society of Japan. 82 (6): 063714. arXiv:1211.3495. Bibcode:2013JPSJ...82f3714G. doi:10.7566/JPSJ.82.063714.
  27. Wang, Yun-Peng; Cheng, Hai-Ping (2013-06-24). "Absence of a Dirac cone in silicene on Ag(111): First-principles density functional calculations with a modified effective band structure technique". Physical Review B. 87(24): 245430. arXiv:1302.5759. Bibcode:2013PhRvB..87x5430W. doi:10.1103/PhysRevB.87.245430.
  28. Arafune, R.; Lin, C. -L.; Nagao, R.; Kawai, M.; Takagi, N. (2013). "Comment on "Evidence for Dirac Fermions in a Honeycomb Lattice Based on Silicon"". Physical Review Letters. 110 (22): 229701. Bibcode:2013PhRvL.110v9701A. doi:10.1103/PhysRevLett.110.229701. PMID 23767755.
  29. Lin, C. L.; Arafune, R.; Kawahara, K.; Kanno, M.; Tsukahara, N.; Minamitani, E.; Kim, Y.; Kawai, M.; Takagi, N. (2013). "Substrate-Induced Symmetry Breaking in Silicene". Physical Review Letters. 110 (7): 076801. Bibcode:2013PhRvL.110g6801L. doi:10.1103/PhysRevLett.110.076801. PMID 25166389.
  30. Gori, P.; Pulci, O.; Ronci, F.; Colonna, S.; Bechstedt, F. (2013). "Origin of Dirac-cone-like features in silicon structures on Ag(111) and Ag(110)". Journal of Applied Physics. 114 (11): 113710–113710–5. Bibcode:2013JAP...114k3710G. doi:10.1063/1.4821339.
  31. Xu, Xun; Zhuang, Jincheng; Du, Yi; Feng, Haifeng; Zhang, Nian; Liu, Cheng; Lei, Tao; Wang, Jiaou; Spencer, Michelle; Morishita, Tetsuya; Wang, Xiaolin; Dou, Shixue (2014). "Effects of oxygen adsorption on the surface state of epitaxial silicene on Ag(111)". Scientific Reports. Nature Publishing Group. 4: 7543. arXiv:1412.1887. Bibcode:2014NatSR...4E7543X. doi:10.1038/srep07543. PMC 4269890. PMID 25519839.
  32. Mahatha, S.K.; Moras, P.; Bellini, V.; Sheverdyaeva, P.M.; Struzzi, C.; Petaccia, L.; Carbone, C. (2014-05-30). "Silicene on Ag(111): A honeycomb lattice without Dirac bands". Physical Review B. 89 (24): 201416. Bibcode:2014PhRvB..89t1416M. doi:10.1103/PhysRevB.89.201416.
  33. Fleurence, A.; Friedlein, R.; Ozaki, T.; Kawai, H.; Wang, Y.; Yamada-Takamura, Y. (2012). "Experimental Evidence for Epitaxial Silicene on Diboride Thin Films". Physical Review Letters. 108 (24): 245501. Bibcode:2012PhRvL.108x5501F. doi:10.1103/PhysRevLett.108.245501. PMID 23004288.
  34. Meng, L.; Wang, Y.; Zhang, L.; Du, S.; Wu, R.; Li, L.; Zhang, Y.; Li, G.; Zhou, H.; Hofer, W. A.; Gao, H. J. (2013). "Buckled Silicene Formation on Ir(111)". Nano Letters. 13 (2): 685–690. Bibcode:2013NanoL..13..685M. doi:10.1021/nl304347w. PMID 23330602.
  35. Morishita, T.; Spencer, M. J. S.; Kawamoto, S.; Snook, I. K. (2013). "A New Surface and Structure for Silicene: Polygonal Silicene Formation on the Al(111) Surface". The Journal of Physical Chemistry C. 117 (42): 22142. doi:10.1021/jp4080898.
  36. Sugiyama, Y.; Okamoto, H.; Mitsuoka, T.; Morikawa, T.; Nakanishi, K.; Ohta, T.; Nakano, H. (2010). "Synthesis and Optical Properties of Monolayer Organosilicon Nanosheets". Journal of the American Chemical Society. 132 (17): 5946–7. doi:10.1021/ja100919d. PMID 20387885.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.