Силіцен

Знімок поверхні епітаксійного силіцену (4×4) та т.зв. "мультишарового" (R3×R3) силіцену.

Силіце́н — двовимірна^[en] одношарова алотропна форма Силіцію (Si), атоми якої утворюють гексагональну кристалічну ґратку типу бджолиних стільників (honeycombs). У силіценовій ґратці атоми Силіцію мають «змішану гібридизацію» типу «sp2/sp3», таким чином, ґратка є періодично-зігнутою (англ. buckled), на відміну від планарної ґратки графену. Електронна структура силіцену нагадує структуру графену, маючи лінійну дисперсію електронів на краю зони Бріллюена (в К точці), відтворюючи конус Дірака^[en].

На разі відомо дві форми силіцену: вільний від підтримки (англ. free-standing) та епітаксійний (осаджений на підкладку). Існування вільного силіцену є теоретично спрогнозованим,^[1][2][3] , хоча експериментального підтвердження поки що немає. Натомість, в 2012 році було експериментально отримано епітаксійний силіцен^[4], що підсилило зацікавлення двовимірними матеріалами після деякого спаду зацікавленності графеном.^[5][6] Однією із переваг силіцену є можливість контролю ширини забороненої зони, що є необхідною умовою використання матеріалу у мікроелектроніці. Заборонену зону силіцену можна відкрити за допомогою прикладення ортогонального електричного поля^[7] або осадження сторонніх атомів^[8] чи молекул^[9], проводячи т.зв. функціоналізацію. Додатково, використання кристалів на основі Силіцію у мікроелектроніці є більш доступним й навіть звичним у порівнянні із кристалами на основі Карбону.

Силіцен є цікавим матеріалом з точки зору фізики твердого тіла, оскільки він одночасно містить двовимірний електронний газ й значну спін-орбітальну взаємодію, дозволяючи тим самим спостерігати відкриття забороненої зони за доступних температур (близько 20 К)^[10], тим самим проявляючи топологічні властивості електронної будови. Подібні властивості силіцену роблять його кандидатом для спостережень низки квантових ефектів Холла, наприклад аномальний та спін-квантовий ефект Холла.

Хронологічно, силіцен — другий елементарний (такий, що складається лише з одного хімічного елементу) двовимірний матеріал після відкриття графену. Також існують роботи з синтезу германену^[11] та інших елементарних двовимірних матеріалів (станен^[en], борофен тощо).

Примітки

1. Takeda, Kyozaburo; Shiraishi, Kenji (15 листопада 1994). Theoretical possibility of stage corrugation in Si and Ge analogs of graphite. Physical Review B. Т. 50, № 20. с. 14916—14922. doi:10.1103/PhysRevB.50.14916. Процитовано 2 серпня 2016. (англ.)
2. Guzmán-Verri, Gian G.; Lew Yan Voon, L. C. (30 серпня 2007). Electronic structure of silicon-based nanostructures. Physical Review B. Т. 76, № 7. с. 075131. doi:10.1103/PhysRevB.76.075131. Процитовано 2 серпня 2016. (англ.)
3. Cahangirov, S. (1 січня 2009). Two- and One-Dimensional Honeycomb Structures of Silicon and Germanium. Physical Review Letters. Т. 102, № 23. doi:10.1103/PhysRevLett.102.236804. Процитовано 2 серпня 2016. (англ.)
4. Vogt, Patrick; De Padova, Paola; Quaresima, Claudio; Avila, Jose; Frantzeskakis, Emmanouil; Asensio, Maria Carmen; Resta, Andrea; Ealet, Bénédicte; Le Lay, Guy (12 квітня 2012). Silicene: Compelling Experimental Evidence for Graphenelike Two-Dimensional Silicon. Physical Review Letters. Т. 108, № 15. с. 155501. doi:10.1103/PhysRevLett.108.155501. Процитовано 2 серпня 2016. (англ.)
5. Not just graphene - Materials Today. Процитовано 2 серпня 2016. (англ.)
6. Material Question. The New Yorker. Процитовано 2 серпня 2016. (англ.)
7. Drummond, N. D.; Zólyomi, V.; Fal'ko, V. I. (22 лютого 2012). Electrically tunable band gap in silicene. Physical Review B. Т. 85, № 7. с. 075423. doi:10.1103/PhysRevB.85.075423. Процитовано 2 грудня 2017.
8. Zólyomi, V.; Wallbank, J. R.; Fal'ko, V. I. (15 квітня 2014). Silicane and germanane: tight-binding and first-principles studies. 2D Materials. Т. 1, № 1. с. 011005. doi:10.1088/2053-1583/1/1/011005. ISSN 2053-1583. Процитовано 2 грудня 2017.
9. Huang, Bing; Xiang, H. J.; Wei, Su-Huai (2 жовтня 2013). Chemical Functionalization of Silicene: Spontaneous Structural Transition and Exotic Electronic Properties. Physical Review Letters. Т. 111, № 14. с. 145502. doi:10.1103/PhysRevLett.111.145502. Процитовано 2 грудня 2017.
10. Liu, Cheng-Cheng; Feng, Wanxiang; Yao, Yugui (9 серпня 2011). Quantum Spin Hall Effect in Silicene and Two-Dimensional Germanium. Physical Review Letters. Т. 107, № 7. с. 076802. doi:10.1103/PhysRevLett.107.076802. Процитовано 2 грудня 2017.
11. Dávila, M. E.; Xian, L.; Cahangirov, S.; Rubio, A.; Lay, G. Le (1 січня 2014). Germanene: a novel two-dimensional germanium allotrope akin to graphene and silicene. New Journal of Physics (англ.). Т. 16, № 9. с. 095002. doi:10.1088/1367-2630/16/9/095002. ISSN 1367-2630. Процитовано 2 серпня 2016. (англ.)