Силицен обещает больше, чем графен

Получен наноматериал из кремния с удивительными свойствами.

Группе ученых под руководством Патрика Фогта из Технического Университета Берлина и Паолы де Падова из Института структуры материалов (Италия) удалось получить силицен, просто осадив пары кремния на поверхность кристалла серебра. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Ученые ищут перспективные материалы для наноэлектроники. Большие надежды возлагают на графен, обладающий уникальными физическими свойствами и имеющий структуру «сотовых ячеек», но, к сожалению, пока не достигнут ощутимый прорыв в инженерных решениях. Кремний – компонент микросхем, и многим представляются привлекательными с этой точки зрения наноматериалы на основе кремния, поскольку, как предполагают, интегрировать их в микросхемы будет легче, чем графен.

Силицен сначала был предсказан теоретически, как наноматериал со складчатой структурой поверхности толщиной в один атом и распределением электронов, обладающих свойствами фермионов Дирака.

Попытки получить силицен предпринимались неоднократно различными группами ученых. Но данная – первая, наиболее убедительная, в которой теоретически предсказанные свойства были подтверждены экспериментально. Используя методы сканирующей туннельной микроскопии и угловой разрешающей фотоэмиссионной спектроскопии в сочетании с расчетами, основанными на теории функционала плотности, исследователи определили межатомные расстояния и валентные углы. Их данные совпали с теоретическими предсказанными значениями.

Красивое экспериментальное решение – покрыть парами кремния кристалл серебра – напомнило мне рассказ Айвора Джайавера, инженера, сделавшего важное открытие в области квантовой физики. За открытие туннельного эффекта Айвор Джайавер получил Нобелевскую премию. Я приведу неопубликованную часть интервью, которое я брала у Айвора Джайавера летом 2011 года, когда он приезжал в Москву.

«Если два металла поднести достаточно близко друг к другу, электрон может «перескочить» из одного металла в другой, но никогда не останется в пространстве между ними. Человек, перемещаясь из одного места в другое, будет находиться в определённой точке пространства в определённое время, а электрон – нет; он будет либо в одном металле, либо в другом. Задача заключалась в том, как создать такие условия, чтобы «перетащить» электрон из одного металла в другой. Мы рассчитали, что между этими металлами должно быть расстояние всего два нанометра. Но очень трудно так близко поднести металлы друг к другу. Я испробовал очень много способов, но ничего не получалось. Тогда я взял алюминий, очень сильно нагрел его при определенных условиях, до кипения, а пары этого металла конденсировал на стеклянной поверхности – получилось «зеркало», покрытое тонким слоем алюминия. Причем, не просто зеркало, на стекло был наложен трафарет, так, что получилась лишь тоненькая «зеркальная» полоска. Вторую полоску я сделал аналогичным образом, сориентировав две эти полоски крест-накрест. На воздухе поверхность алюминиевого «зеркала» окислилась, и получился слой оксида необходимой толщины – 2 нанометра. И мы смогли зарегистрировать, как электрон туннелирует. Оставалось сделать об этом доклад. Когда я рассказывал, я видел по лицам людей, что никто мне не поверил. Посыпались вопросы. Откуда Вы знаете, что металлы не соприкасаются в каком-нибудь месте? Откуда Вы знаете, что оксид алюминия не является полупроводником? И много таких вопросов мне задавали, но все были очень вежливы, и даже похлопали докладчику…Я стал размышлять, как всё-таки доказать это, чтоб не оставалось сомнений. Полгода я ставил эксперименты, чтобы доказать, что всё так и есть…Я даже поступил в институт, чтобы изучить квантовую механику, именно тогда я сам поверил в свои результаты».

Рис. 1. Заставка

Рис. 2. Рост Si на Ag (111)-(1х1). (а) Область соотношения между 2p-орбиталями электронов Si и 4d-орбиталями электронов Ag базового уровня эмиссии как функция от времени осаждения Si на поверхности Ag. (b) (4х4) LEED-паттерн (27 eV) после осаждения примерно 1 мл Si при температуре 220 градусов Цельсия. (Красным отмечены точки с соотношением спинов (0; 1/4), (0; 1/2) и (0; 3/4).

Рис. 3. Строения атомарного 2D-слоя силицена. STM-изображение заполненных ячеек:
(a) начальная стадия – поверхность чистого Ag (111)-(1х1), Ubias = - 0,2 V, I = 1,93 nA);
(b) (4х4) слой силицена (Ubias = - 1,4 V, I = 0,29 nA).
(c) Моделирование строения силицена на поверхности Ag (111). Атомы Si «сидят» на «вершине» атомов Ag. В правом нижнем углу: шаростержневая модель слоя силицена (без серебра). Растояние Si–Si равно 0,22 нм.

Рис. 4. Модель строения силицена на поверхности Ag (111), построенная на основе расчетов методом функционала плотности (DFT). (a) Геометрия смоделированного силицена на поверхности Ag (111) совпадает с таковой на предыдущей иллюстрации. (b) Вид сбоку. (c) Увеличенное изображение гексагонального кольца силицена. Выбранный участок обведен белым на рис. (а). (d) Симуляция STM-изображения (слева) для структуры показанной на рис. (а). Смоделированное изображение имеет те же структурные особенности, что и полученное экспериментально с помощью STM (справа), т.е., гексагональная решетка из треугольников с темными «центрами».