El siliceno es un alótropo bidimensional del silicio , con una estructura de panal hexagonal similar a la del grafeno . A diferencia del grafeno, el siliceno no es plano, sino que tiene una topología periódicamente combada; el acoplamiento entre capas en el siliceno es mucho más fuerte que en el grafeno multicapa; y la forma oxidada del siliceno, la sílice 2D , tiene una estructura química muy diferente a la del óxido de grafeno .
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 , 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 en la superficie plateada que imitaba los hexágonos. [7] Los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) mostraron que los átomos de silicio tienden a formar estructuras de panal en la 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 la fila faltante tras la adsorción de Si [8] y las estructuras de panal observadas son artefactos de punta. [9]
A esto le siguió en 2013 el descubrimiento de la reconstrucción con mancuernas en siliceno [10] que explica los mecanismos de formación de siliceno en capas [11] y siliceno en Ag. [12]
En 2015 se probó un transistor de efecto de campo de siliceno. [13] que abre oportunidades para el silicio bidimensional para estudios de ciencias fundamentales 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] Esto, sin embargo, plantea dudas sobre si el siliceno puede considerarse realmente como un material bidimensional, debido a sus fuertes enlaces químicos con la aleación de la superficie.
El silicio y el carbono son átomos similares. Se encuentran uno encima y otro debajo 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 ambos tienen diferencias importantes. Si bien ambos forman estructuras hexagonales, el grafeno es completamente plano, mientras que el siliceno tiene una forma hexagonal combada. Su estructura curvada le da al siliceno una banda prohibida sintonizable 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 pandeada en el siliceno, a diferencia de la estructura plana del grafeno, se ha atribuido a fuertes distorsiones de Pseudo Jahn-Teller que surgen debido al acoplamiento vibrónico entre estados electrónicos vacíos y llenos estrechamente espaciados. [19]
El siliceno y el grafeno tienen estructuras electrónicas similares. Ambos tienen un cono de Dirac y 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 llevan carga, pero esto sólo se predice para el siliceno y no se ha observado, probablemente porque se espera que sólo 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 sobre sus propiedades electrónicas. [19]
A diferencia de los átomos de carbono en el grafeno, los átomos de silicio tienden a adoptar la 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]
Comparado 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 del espín cuántico en la temperatura experimentalmente accesible, (2) una mejor sintonizabilidad de la banda prohibida, que es necesario para un transistor de efecto de campo (FET) efectivo que funcione a temperatura ambiente, (3) una polarización de valle más fácil y más idoneidad para el estudio de Valleytronics. [21]
A diferencia del grafeno, se ha demostrado que al menos el siliceno soportado por Ag(111) crece sobre una aleación superficial. [17] Por lo tanto, desacoplar el siliceno es mucho menos trivial, si es que es posible, que desacoplar el grafeno.
El siliceno sobre Ag(111) crece sobre una aleación superficial de Si/Ag(111), lo que se ha demostrado mediante una combinación de diferentes técnicas de medición. [17] La aleación de la superficie precede al crecimiento del siliceno, actuando como base y como andamio para la capa bidimensional. Tras un mayor aumento de la cobertura de silicio, la aleación queda cubierta por siliceno, aunque existe omnipresente para todas las coberturas. Esto implica que las propiedades de la capa están fuertemente influenciadas por su aleación.
Los primeros estudios sobre el siliceno demostraron que diferentes dopantes dentro de la estructura del siliceno proporcionan la capacidad de ajustar su banda prohibida . [22] Muy recientemente, la banda prohibida en el siliceno epitaxial ha sido ajustada mediante adatomios de oxígeno desde el tipo de espacio cero al tipo semiconductor. [20] Con una banda prohibida sintonizable, se podrían fabricar componentes electrónicos específicos bajo pedido para aplicaciones que requieran bandas prohibidas específicas. La banda prohibida se puede reducir a 0,1 eV, que es considerablemente más pequeña que la banda prohibida (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 . Variar la cantidad ajusta la banda prohibida. El dopaje máximo aumenta la banda prohibida en 0,5 eV. Debido al fuerte dopaje, la tensión de alimentación también debe ser c. 30V. El siliceno dopado con metal alcalino sólo puede producir semiconductores de tipo n ; La electrónica moderna requiere una unión complementaria de tipo n y tipo p . Se requiere dopaje neutro (tipo i) para producir dispositivos como diodos emisores de luz ( LED ). Los LED utilizan una unión de pines para producir luz. Se debe introducir un dopante separado para generar siliceno dopado tipo p. El siliceno dopado con iridio (Ir) permite crear siliceno tipo p. Mediante el dopaje con platino (Pt), es posible obtener siliceno 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 energía dentro de los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico ( MOSFET ) tradicionales 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 subumbral y un voltaje de suministro más pequeños, lo que reduce la disipación de energía. Los estudios computacionales demostraron que los TFET basados en siliceno superan a los MOSFET tradicionales basados en silicio. Los TFET de siliceno tienen una corriente en estado encendido superior a 1 mA/μm, una pendiente por debajo del umbral de 77 mV/década y un voltaje de suministro de 1,7 V. Con esta corriente en estado mucho mayor y voltaje de suministro reducido, la disipación de energía dentro de estos dispositivos es muy por debajo del de los MOSFET tradicionales y sus TFET pares. [22]
El siliceno 2D no es completamente plano y aparentemente presenta distorsiones fruncidas en forma de silla en los anillos. Esto conduce a ondulaciones superficiales ordenadas. La hidrogenación de silicenos a silicanos es exotérmica . Esto llevó a la predicción de que el proceso de conversión de siliceno en silicano (siliceno hidrogenado) es un candidato para el almacenamiento de hidrógeno . A diferencia del grafito, que consiste en pilas de capas de grafeno débilmente sujetas 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 pseudo distorsión de Jahn-Teller (PJT). Esto es causado por un fuerte acoplamiento vibrónico de orbitales moleculares desocupados (UMO) y orbitales moleculares ocupados (OMO). Estos orbitales tienen energías lo suficientemente cercanas como para provocar 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 UMO y OMO. Esto se puede hacer agregando un ion de litio . [19]
Además de su posible compatibilidad con las técnicas de semiconductores existentes, el siliceno tiene la ventaja de que sus bordes no presentan 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 espectroscopía de efecto túnel de escaneo [27] y de la espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) parecieron mostrar que el siliceno tendría propiedades electrónicas similares a las del grafeno, es decir, una dispersión electrónica parecida a la del Dirac relativista. fermiones 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 ZrB.
2, [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 unión similar a la observada en la superficie de 4x4 Ag(111)), así como una nueva forma denominada "poligonal". siliceno", su estructura consta de polígonos de 3, 4, 5 y 6 lados. [38]
El mecanismo de hibridación pd entre Ag y Si es importante para estabilizar los grupos de silicio casi planos y la efectividad del sustrato de Ag para el crecimiento de siliceno se explica mediante cálculos de DFT y simulaciones de dinámica molecular . [33] [39] Las estructuras electrónicas hibridadas únicas del siliceno epitaxial 4 × 4 en Ag(111) determinan una reactividad altamente química de la superficie del siliceno, que se revela mediante microscopía de efecto túnel y espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo. La hibridación entre Si y Ag da como resultado un estado superficial 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]
Más allá de la estructura de siliceno puro, la investigación sobre siliceno funcionalizado ha dado como resultado un crecimiento exitoso de siliceno organomodificado: láminas de siliceno libres de oxígeno funcionalizadas con anillos de fenilo . [40] Dicha funcionalización permite la dispersión uniforme de la estructura en disolventes orgánicos e indica el potencial de una gama de nuevos sistemas de silicio funcionalizados y nanohojas de organosilicio.
El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU . ha apoyado la investigación sobre el siliceno desde 2014. Los objetivos declarados de los esfuerzos de investigación eran 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 investigadores de la Universidad de Texas, Austin, junto con el grupo de Alessandro Molle en CNR, Italia, y en colaboración con el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. , y desarrolló un método para estabilizar el siliceno en el aire e informó sobre un siliceno funcional. Dispositivo transistor de efecto de campo . El material de un transistor operativo debe tener bandas prohibidas y funciona más eficazmente si posee una alta movilidad de electrones. Una banda prohibida 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 banda prohibida en el material reduce muchos de sus otros potenciales eléctricos. [42]
Por ello, se han realizado investigaciones sobre el uso de análogos del grafeno, como el siliceno, como transistores de efecto de campo. A pesar de que el estado natural del siliceno también tiene una banda prohibida 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 “delaminación 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. Hicieron crecer una capa de siliceno encima de una capa de Ag mediante epitaxia y cubrieron ambas 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 espectroscopía Raman para inspeccionarla en busca de signos de degradación, pero no se encontró ninguno. Luego, esta compleja pila se colocó sobre un sustrato de SiO 2 con el 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 su espectro Raman característico. 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.
Las nanoláminas de siliceno 2D se utilizan en supercondensadores simétricos de alto voltaje como materiales de electrodos atractivos . [45]
