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Silicona

Imagen STM de la primera ( 4×4 ) y segunda capa ( √3 × √3 - β ) de siliceno cultivado sobre una fina película de plata. Tamaño de la imagen 16×16 nm. [ 1 ]

El siliceno es un alótropo bidimensional del silicio , con una estructura hexagonal en forma de panal similar a la del grafeno . A diferencia del grafeno, el siliceno no es plano, sino que tiene una topología de panalización periódica; el acoplamiento entre capas en el siliceno es mucho más fuerte que en el grafeno multicapa; y la forma oxidada del siliceno, sílice 2D , tiene una estructura química muy diferente a la del óxido de grafeno .

Historia

Aunque los teóricos habían especulado sobre la existencia y las posibles propiedades del siliceno independiente, [2] [3] [4] los investigadores observaron por primera vez estructuras de silicio que sugerían siliceno en 2010. [5] [6] Utilizando un microscopio de efecto túnel de barrido, estudiaron nanocintas de siliceno autoensambladas y láminas de siliceno depositadas sobre un cristal de plata, Ag(110) y Ag(111), con resolución atómica. Las imágenes revelaron hexágonos en una estructura de panal similar a la del grafeno, que, sin embargo, se demostró que se originaban a partir de la superficie de plata que imitaba los hexágonos. [7] Los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) mostraron que los átomos de silicio tienden a formar tales estructuras de panal sobre plata y adoptan una ligera curvatura que hace que la configuración similar al grafeno sea más probable. Sin embargo, dicho modelo ha sido invalidado para Si/Ag(110): la superficie de Ag muestra una reconstrucción de fila faltante tras la adsorción de Si [8] y las estructuras de panal observadas son artefactos de punta. [9]

En 2013 se descubrió una reconstrucción con mancuernas en siliceno [10] que explica los mecanismos de formación del siliceno estratificado [11] y del siliceno sobre Ag. [12]

En 2015, se probó un transistor de efecto de campo de silicio. [13] que abre oportunidades para el silicio bidimensional para estudios de ciencia fundamental y aplicaciones electrónicas. [14] [15] [16]

En 2022, se descubrió que el crecimiento de siliceno/Ag(111) sobre una aleación de superficie de Si/Ag(111) funciona como base y andamio para la capa bidimensional. [17] Sin embargo, esto plantea preguntas sobre si el siliceno puede considerarse realmente un material bidimensional, debido a sus fuertes enlaces químicos con la aleación de la superficie.

Similitudes y diferencias con el grafeno

El silicio y el carbono son átomos similares. Se encuentran uno encima del otro en el mismo grupo de la tabla periódica , y ambos tienen una estructura electrónica s 2 p 2 . Las estructuras 2D del siliceno y el grafeno también son bastante similares, [18] pero tienen diferencias importantes. Si bien ambos forman estructuras hexagonales, el grafeno es completamente plano, mientras que el siliceno forma una forma hexagonal arqueada. Su estructura arqueada le da al siliceno una banda prohibida ajustable mediante la aplicación de un campo eléctrico externo. La reacción de hidrogenación del siliceno es más exotérmica que la del grafeno. Otra diferencia es que, dado que los enlaces covalentes del silicio no tienen apilamiento pi , el siliceno no se agrupa en una forma similar al grafito . La formación de una estructura arqueada en el siliceno, a diferencia de la estructura plana del grafeno, se ha atribuido a fuertes distorsiones Pseudo Jahn-Teller que surgen debido al acoplamiento vibrónico entre estados electrónicos llenos y vacíos muy espaciados. [19]

El siliceno y el grafeno tienen estructuras electrónicas similares. Ambos tienen un cono de Dirac y una dispersión electrónica lineal alrededor de los puntos de Dirac . Ambos también tienen un efecto Hall de espín cuántico . Se espera que ambos tengan las características de los fermiones de Dirac sin masa que transportan carga, pero esto solo se predice para el siliceno y no se ha observado, probablemente porque se espera que solo ocurra con el siliceno independiente que no ha sido sintetizado. Se cree que el sustrato sobre el que se fabrica el siliceno tiene un efecto sustancial en sus propiedades electrónicas. [19]

A diferencia de los átomos de carbono en el grafeno, los átomos de silicio tienden a adoptar una hibridación sp 3 sobre sp 2 en el siliceno, lo que lo hace altamente activo químicamente en la superficie y permite que sus estados electrónicos se ajusten fácilmente mediante funcionalización química. [20]

En comparación con el grafeno, el siliceno tiene varias ventajas destacadas: (1) un acoplamiento espín-órbita mucho más fuerte, que puede conducir a la realización del efecto Hall de espín cuántico en la temperatura accesible experimentalmente, (2) una mejor capacidad de ajuste de la brecha de banda, que es necesaria para un transistor de efecto de campo (FET) eficaz que funcione a temperatura ambiente, (3) una polarización de valle más fácil y una mayor idoneidad para el estudio de la valleytrónica. [21]

A diferencia del grafeno, se ha demostrado que al menos el siliceno soportado por Ag(111) crece en una aleación de superficie. [17] Por lo tanto, desacoplar el siliceno es mucho menos trivial, si es que es posible, que desacoplar el grafeno.

Aleación de superficies

El silicio sobre Ag(111) crece sobre una aleación de superficie de Si/Ag(111), lo que se ha demostrado mediante una combinación de diferentes técnicas de medición. [17] La ​​aleación de superficie precede al crecimiento del silicio, actuando tanto como base como andamiaje para la capa bidimensional. Al aumentar aún más la cobertura de silicio, la aleación queda cubierta por el silicio, aunque existe una presencia generalizada en todas las coberturas. Esto implica que las propiedades de la capa están fuertemente influenciadas por su aleación.

Banda prohibida

Los primeros estudios sobre el siliceno demostraron que diferentes dopantes dentro de la estructura del siliceno proporcionan la capacidad de ajustar su brecha de banda . [22] Muy recientemente, la brecha de banda en el siliceno epitaxial ha sido ajustada por adatomos de oxígeno desde el tipo de brecha cero al tipo semiconductor. [20] Con una brecha de banda ajustable, se podrían fabricar componentes electrónicos específicos a pedido para aplicaciones que requieren brechas de banda específicas. La brecha de banda se puede reducir a 0,1 eV, que es considerablemente más pequeña que la brecha de banda (0,4 eV) que se encuentra en los transistores de efecto de campo (FET) tradicionales. [22]

La inducción de dopaje de tipo n dentro del siliceno requiere un dopante de metal alcalino . Variando la cantidad se ajusta la brecha de banda. El dopaje máximo aumenta la brecha de banda 0,5 eV. Debido al fuerte dopaje, el voltaje de suministro también debe ser de c. 30 V. El siliceno dopado con metal alcalino solo puede producir semiconductores de tipo n ; la electrónica moderna requiere una unión complementaria de tipo n y tipo p . El dopaje neutro (tipo i) es necesario para producir dispositivos como diodos emisores de luz ( LED ). Los LED utilizan una unión pin para producir luz. Se debe introducir un dopante separado para generar siliceno dopado de tipo p. El siliceno dopado con iridio (Ir) permite crear siliceno de tipo p. A través del dopaje con platino (Pt), es posible el siliceno de tipo i. [22] Con la combinación de estructuras dopadas de tipo n, tipo p y tipo i, el siliceno tiene oportunidades de uso en electrónica.

La disipación de potencia dentro de los transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico tradicionales ( MOSFET ) genera un cuello de botella cuando se trata de nanoelectrónica. Los transistores de efecto de campo de túnel (TFET) pueden convertirse en una alternativa a los MOSFET tradicionales porque pueden tener una pendiente de subumbral y un voltaje de suministro más pequeños, lo que reduce la disipación de potencia. Los estudios computacionales mostraron que los TFET basados ​​en siliceno superan a los MOSFET tradicionales basados ​​en silicio. Los TFET de siliceno tienen una corriente en estado encendido de más de 1 mA/μm, una pendiente de subumbral de 77 mV/década y un voltaje de suministro de 1,7 V. Con esta corriente en estado encendido mucho mayor y un voltaje de suministro reducido, la disipación de potencia dentro de estos dispositivos es muy inferior a la de los MOSFET tradicionales y sus TFET pares. [22]

Primer plano de un anillo hexagonal de silicona con estructura abrochada visible.

Propiedades

El siliceno 2D no es completamente plano, aparentemente presenta distorsiones de fruncimiento similares a las de una silla en los anillos. Esto conduce a ondulaciones ordenadas en la superficie. La hidrogenación de silicenos a silicanos es exotérmica . Esto llevó a la predicción de que el proceso de conversión de siliceno a silicano (siliceno hidrogenado) es un candidato para el almacenamiento de hidrógeno . A diferencia del grafito, que consiste en pilas de capas de grafeno unidas débilmente a través de fuerzas de dispersión, el acoplamiento entre capas en los silicenos es muy fuerte.

El pandeo de la estructura hexagonal del siliceno es causado por la distorsión pseudo Jahn-Teller (PJT). Esto es causado por el fuerte acoplamiento vibrónico de orbitales moleculares desocupados (UMO) y orbitales moleculares ocupados (OMO). Estos orbitales están lo suficientemente cerca en energía para causar la distorsión en configuraciones de alta simetría del siliceno. La estructura pandeada se puede aplanar suprimiendo la distorsión PJT aumentando la brecha de energía entre el UMO y el OMO. Esto se puede hacer añadiendo un ion de litio . [19]

Además de su compatibilidad potencial con las técnicas de semiconductores existentes, el siliceno tiene la ventaja de que sus bordes no exhiben reactividad con el oxígeno. [23]

En 2012, varios grupos informaron de forma independiente fases ordenadas en la superficie de Ag(111). [24] [25] [26] Los resultados de las mediciones de espectroscopia de efecto túnel de barrido [27] y de la espectroscopia de fotoemisión con resolución angular (ARPES) parecieron mostrar que el siliceno tendría propiedades electrónicas similares al grafeno, es decir, una dispersión electrónica similar a la de los fermiones de Dirac relativistas en los puntos K de la zona de Brillouin , [24] pero la interpretación fue posteriormente cuestionada y se demostró que surgía debido a una banda de sustrato. [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] Se utilizó una técnica de despliegue de bandas para interpretar los resultados de ARPES, revelando el origen del sustrato de la dispersión lineal observada. [35]

Además de la plata, se ha informado que el siliceno crece en ZrB2, [36] e iridio . [37] Los estudios teóricos predijeron que el siliceno es estable en la superficie de Al(111) como una monocapa con estructura de panal (con una energía de enlace similar a la observada en la superficie 4x4 Ag(111)) así como una nueva forma denominada "siliceno poligonal", cuya estructura consiste en polígonos de 3, 4, 5 y 6 lados. [38]

El mecanismo de hibridación pd entre Ag y Si es importante para estabilizar los cúmulos de silicio casi planos y la efectividad del sustrato de Ag para el crecimiento de siliceno se explica mediante cálculos DFT y simulaciones de dinámica molecular . [33] [39] Las estructuras electrónicas hibridadas únicas del siliceno epitaxial 4 × 4 sobre Ag(111) determinan una alta reactividad química de la superficie del siliceno, que se revela mediante microscopía de efecto túnel de barrido y espectroscopia de fotoemisión con resolución angular. La hibridación entre Si y Ag da como resultado un estado de superficie metálico, que puede decaer gradualmente debido a la adsorción de oxígeno. La espectroscopia de fotoemisión de rayos X confirma el desacoplamiento de los enlaces Si-Ag después del tratamiento con oxígeno, así como la resistencia relativa al oxígeno de la superficie de Ag(111), en contraste con el siliceno 4 × 4 [con respecto a Ag(111)]. [33]

Silicona funcionalizada

Más allá de la estructura pura del siliceno, la investigación sobre el siliceno funcionalizado ha producido un crecimiento exitoso del siliceno organomodificado: láminas de siliceno sin oxígeno funcionalizadas con anillos de fenilo . [40] Dicha funcionalización permite una dispersión uniforme de la estructura en solventes orgánicos e indica el potencial para una gama de nuevos sistemas de silicio funcionalizado y nanoláminas de organosilicio.

Transistores de siliceno

El Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. ha estado apoyando la investigación sobre el siliceno desde 2014. Los objetivos declarados para los esfuerzos de investigación fueron analizar materiales a escala atómica, como el siliceno, en busca de propiedades y funcionalidades más allá de los materiales existentes, como el grafeno. [41] En 2015, Deji Akinwande , dirigió a investigadores de la Universidad de Texas, Austin, junto con el grupo de Alessandro Molle en CNR, Italia, y la colaboración con el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU., y desarrolló un método para estabilizar el siliceno en el aire e informó sobre un dispositivo de transistor de efecto de campo de siliceno funcional . El material de un transistor operativo debe tener brechas de banda y funciona de manera más efectiva si posee una alta movilidad de electrones. Una brecha de banda es un área entre las bandas de valencia y conducción en un material donde no existen electrones. Aunque el grafeno tiene una alta movilidad de electrones , el proceso de formación de una brecha de banda en el material reduce muchos de sus otros potenciales eléctricos. [42]

Por lo tanto, se han realizado investigaciones sobre el uso de análogos de grafeno, como el siliceno, como transistores de efecto de campo. A pesar de que el estado natural del siliceno también tiene una brecha de banda cero, Akinwande y Molle y sus colaboradores en colaboración con el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. han desarrollado un transistor de siliceno. Diseñaron un proceso denominado "deslaminación encapsulada de siliceno con electrodos nativos" (SEDNE) para superar la inestabilidad del siliceno en el aire. Se ha afirmado que la estabilidad resultante se debe a la hibridación pd de Si-Ag. Cultivaron una capa de siliceno sobre una capa de Ag mediante epitaxia y cubrieron las dos con alúmina (Al 2 O 3 ). El siliceno, Ag y Al 2 O 3 se almacenaron al vacío a temperatura ambiente y se observaron durante un período de seguimiento de dos meses. La muestra se sometió a espectroscopia Raman para inspeccionarla en busca de signos de degradación, pero no se encontró ninguno. Luego, esta pila compleja se colocó sobre un sustrato de SiO 2 con la Ag hacia arriba. Se eliminó Ag en una tira delgada por la mitad para revelar un canal de siliceno. El canal de siliceno en el sustrato tuvo una vida de dos minutos cuando se expuso al aire hasta que perdió sus espectros Raman característicos. Se informó una banda prohibida de aproximadamente 210 meV. [43] [42] Los efectos del sustrato sobre el siliceno, en el desarrollo de la banda prohibida, se han explicado por la dispersión de los límites de grano y el transporte limitado de fonones acústicos , [43] así como por la ruptura de simetría y el efecto de hibridación entre el siliceno y el sustrato. [44] Los fonones acústicos describen el movimiento sincrónico de dos o más tipos de átomos desde su posición de equilibrio en una estructura reticular.

Nanohojas de siliceno

Las nanohojas de silicio 2D se utilizan en supercondensadores simétricos de alto voltaje como materiales de electrodos atractivos . [45]

Véase también

Referencias

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