náhled|Obrázek první a druhé vrstvy silicenu na tenké vrstvě stříbra, pořízený řádkovacím tunelovým mikroskopem; velikost zobrazené oblasti je 16×16 nm.
Silicen je dvourozměrný alotrop křemíku se šestiúhelníkovou strukturou podobnou grafenu; propojení vrstev silicenu je ale mnohem silnější než u vícevrstevnatého grafenu a oxidovaná forma silicenu, dvojrozměrný oxid křemičitý, se strukturou výrazně liší od grafenoxidu.
Historie Existence silicenu a jeho možné vlastnosti byly předpovězeny již dříve než byla v roce 2010 provedena první úspěšná příprava.
V roce 2013 se podařilo objasnit mechanismy tvorby vrstevnatého silicenu a silicenu na stříbru.
V roce 2015 byl vytvořen silicenový unipolární tranzistor, což naznačilo možnost využití dvourozměrného křemíku v základním výzkumu a v elektronice.Peplow, Mark (2 February 2015) "Graphene's cousin silicene makes transistor debut". Nature News & CommentIyengar, Rishi (February 5, 2015). "Researchers Have Made Computer-Chip Transistors Just One Atom Thick". TIME.comDavenport, Matt (February 5, 2015). "Two-Dimensional Silicon Makes Its Device Debut". acs.org
Roku 2022 bylo zjištěno, že silicen/Ag(111) vytváří na povrchu slitinu Si/Ag(111), která poté slouží jako kostra pro dvourozměrnou vrstvu; silné vazby na povrchovou slitinu ovšem vytváří pochybnosti, jestli je silicen skutečně dvourozměrný materiál.
Porovnání s grafenem Křemík a uhlík se nachází ve stejné skupině periodické tabulky a oba mají konfiguraci valenčních elektronů s2 p2. Dvourozměrné struktury silicenu a grafenu jsou také podobné, ale jsou mezi nimi významné rozdíly. Obě struktury jsou šestiúhelníkové ale zatímco grafen je plochý, tak u silicenu jsou tyto šestiúhelníky zohýbané; toto ohnutí umožňuje měnit šířku zakázaného pásu pomocí vnějšího elektrického pole. Hydrogenace silicenu je více exotermní než u grafenu. Silicen se také neshlukuje do struktury odpovídající grafitu. Tvorbu ohnuté struktury u silicenu namísto rovinné struktury grafenu způsobuje silný pseudo Jahnův–Tellerův efekt mezi zaplněnými a prázdnými elektronovými stavy.
U silicenu i grafenu se projevuje spinový kvantový Hallův jev. Na elektronové vlastnosti silicenu má zřejmě podstatný vliv substrát na kterém se nachází.
Hybridizace atomů v grafenu je sp3, v silicenu sp2, což jej činí chemicky značně aktivním na povrchu a usnadňuje ovládání jeho elektronových stavů navazováním substituentů.
Oproti grafenu má silicen několik výhod, například:
silnější spinorbitální párování, umožňující uskutečnění spinového kvantového Hallova jevu za experimentálně dosažitelné teploty lépe ovladatelnou šířku zakázaného pásu, důležitou pro fungování unipolárního tranzistoru za pokojové teploty.
Vlastnosti Hydrogenace silicenu a jeho derivátů na silikany je exotermní; na základě této vlastnosti byla přeměna silicenů na silikany (hydrogenované siliceny) navržena jako jeden ze způsobů uchovávání vodíku. Oproti grafitu, u kterého jsou grafenové vrstvy propojeny pouze slabými disperzními silami, je propojení vrstev výrazně silnější.
Orbitaly ve struktuře silicenu mají dostatečně podobné energie, aby mohly narušovat vysoce symetická uspořádání silicenu. Ohnutou strukturu lze zploštit omezením těchto interakcí zvětšením rozdílu energie mezi neobsazenými a obsazenými orbitaly, například přidáním lithných iontů.
Kromě polovodivosti se silicen také vyznačuje tím, že jeho okraje nereagují s kyslíkem.
V roce 2012 byly popsány uspořádané fáze silicenu na povrchu Ag(111).
Měření s využitím řádkovací tunelové spektroskopie a úhlově rozlišené fotoemisní spektroskopie naznačují pro silicen podobné elektronové vlastnosti jako v případě grafenu, tato interpretace byla ale později označena jako sporná.
Kromě stříbra se silicen může ukládat také na diboridu zirkonia (ZrB2) a na iridiu. Teoretické studie předpověděly, že by silicen měl být stálý také na povrchu Al(111) (s vazebnou energií podobnou jako na povrchu 4×4 Ag(111)), a také existenci nové formy nazývané „polygonální silicen“, se strukturou obsahující troj-, čtyř-, pěti-, a šestiúhelníky.
Silicenové tranzistory Výzkumná laboratoř Armády Spojených států amerických podporuje výzkum silicenu od roku 2014. Tento výzkum se zaměřuje na analýzu materiálů, například silicenu, na atomární úrovni, ohledně vlastností, mimo známé materiály, jako je grafen.
V roce 2015 byl nalezen postup stabilizace silicenu na vzduchu a přípravy silicenového unipolárního tranzistoru. Materiál takového tranzistoru musí mít zakázané pásy a pracuje lépe, když se v něm elektrony snadno pohybují. Grafen má vysokou pohyblivost elektronů, tak u něj vytváření zakázaného pásu omezuje další elektrické vlastnosti.
Výzkum se tedy zaměřuje na použití analogů grafenu, jako je silicen, jako tranzistorů, i když základní stav silicenu také nemá zakázaný pás. Nestabilitu silicenu na vzduchu lze překonat pomocí p-d hybridizace vazby Si-Ag. Vrstva silicenu na povrchu vrstvy Ag byla vytvořena epitaxí a obě překryty oxidem hlinitým (Al2O3). Silicen, Ag, a Al2O3 byly skladovány ve vakuu za pokojové teploty po dobu dvou měsíců. Vzorek byl prozkoumán Ramanovou spektroskopií, která ale neukázala na žádné známky rozkladu. Vzniklý komplex byl následně nanesen na SiO2-Ag. Stříbro bylo odstraněno za účelem odhalení silicenu. Silicen na substrátu na vzduchu vydržel do ztráty Ramanovského signálu dvě minuty. Zakázaný pás měl šířku přibližně 210 meV.
Nanolisty silicenu Dvourozměrné silicenové nanolisty se používají ve vysokonapěťových symetrických superkondenzátorech jako materiál pro elektrody.
Odkazy
Reference
Související články Dvourozměrný oxid křemičitý Borofen Germanen Plumben Stanen
Kategorie:Křemík Kategorie:Nanotechnologie Kategorie:Polovodičové materiály