Силицен наступает на пятки графену

Впервые исследователи получили одноатомный слой кремния, сообщает журнал Physical Review Letters. Предполагается, что новый материал должен во многом по свойствам напоминать графен — одноатомный слой углерода, поэтому ему по аналогии с графеном дали название «силицен» – silicone. Более того, силицен должен проще, чем графен, интегрироваться с обычными электронными устройствами на основе кремниевых микросхем. А это означает новые перспективы для разработки сверхминиатюрных электронных систем.

Силицен - кремниевый аналог графена

Пока научный и околонаучный мир взахлеб обсуждал удивительные свойства графена — слоя углерода толщиной в один атом, пока все аплодировали получившим графен Андрею Гейму и Константину Новосёлову, другие ученые пытались сконструировать подобные одноатомные структуры из иных химических материалов. И прежде всего их взгляд был обращен на другой распространенный в природе элемент — кремний. Сейчас вокруг этой проблемы разворачивается настоящая драма и гонка за первенство между учеными многих научных центров.

Кремний является основным материалом при создания электронных устройств. В таблице Менделеева этот элемент соседствует с углеродом и имеет почти сходные с ним характеристики. Кремневая одноатомная пленка сделала бы грандиозный прорыв в электронной промышленности. Однако создать такую пленку из кремния не представлялось возможным даже гипотетически, так атомные связи этого элемента ничего подобного вроде не позволяли. Однако, как оказалось, одноатомные слои кремния все же существуют. Правда, не в совершенно плоском, двумерном виде, а в трехмерном.

«Гофрированные» листы кремния

В 2000 году в журнале Physical Review вышла статья с названием «Предварительные расчеты свойств гипотетического материала — кремниевых нанотрубок». Авторы этой статьи, бразильские физики, рассмотрели физические свойства кремниевых одностенных нанотрубок и показали, что в зависимости от хиральности (то есть от того, как и в каком направлении скрутить нанотрубку) они могут проявлять металлические или полупроводниковые свойства, то есть, должны были вести себя так же, как и углеродные нанотрубки. Можно говорить, что работа ученых из Бразилии была первым шагом на пути к получению силицена.

Какое отношение имеют нанотрубки к плоскому силицену? Дело в том, что теория, которая используется для описания свойств нанотрубок — не важно, углеродных или кремниевых, — может быть легко использована и для случая, когда эти трубки разворачиваются в плоскость, превращаясь, соответственно, либо в графен, либо в силицен. Кстати, кремниевые нанотрубки уже получены, причем сравнительно давно — в 2005 году.

Вскоре были проработаны теоретические предпосылки по существованию особых структур-листиков из кремния — толщиной в один атом, но не плоских, а как бы гофрированных. Это удалось физикам из Университета Райта (США) - в 2007 году они обосновали возможность существования ленточек из одноатомного кремния. Ими же было придумано название этой пленки - силицен.

На встрече Американского физического общества, состоявшейся в Далласе 24 марта 2011 года, физик Антуан Флеренс, работающий в институте науки и технологий в Ишикаве (Япония), представил новый материал и подробно описал технологию его получения. Антуан Флеренс и его японские коллеги выращивали листы силицена на поверхности керамической подложки из диборида циркония. Сделанная затем рентгенография показала, что новый материал имеет такую же шестигранную сотовую структуру, как и графен. Но истины ради надо сказать, что впервые силиценовую пленку удалось получить не японцам. Еще в 2010 году Ги Ле Лэ, физику из университета Прованса в Марселе, Франция, удалось вырастить на поверхности серебряного кристалла полосы силицена, шириной 1.6 нанометра. Эти ленточки могли иметь длину в сотни нанометров.

Данные, опубликованные японцами и группой Ле Лэ, указывают на то, что помимо похожей структуры, графен и силицен обладают рядом и других сходных свойств, в том числе и электрических. Однако в исследованиях, проведенных французскими учеными из группы Ле Лэ, не было возможности изучить электрические свойства нового материала, ведь пленка была выращена на поверхности серебра, которое является электрическим проводником. А вот японцы вырастили листочки силицена на изоляционной подложке, и это дало возможность провести исследования электрических свойств нового материала и определить, что квантовые эффекты, которые обеспечивают столь замечательные свойства графена, работают и для силицена.

Впрочем, между этими двумя материалами уже обнаружены важные различия. Одно из них заключается в большей химической стабильности силиценовых полосок по сравнению с графеновыми. Речь идет о сильной химической активности атомов углерода, находящихся на краях графеновых полосок - в то время как силиценовые края подвержены такому явлению значительно меньше. Грубо говоря, удержать силицен в руках и не разрушить его намного проще, чем графен.

Силицен заявляет свои права

Тем не менее, несмотря на отдельные успехи различных научных коллективов, доказательства получения ими силицена были только косвенными и в большей степени опирались на теоретические предпосылки. В этом смысле последнее исследование, проведенное немцем Патриком Фогтом из Технического Университета Берлина и Паола Де Падова из Института Структуры Материалов (Италия), определяло уже реальные свойства конкретных образцов силицена.

Проблемой ранее опубликованных сообщений о силицене, по утверждению Фогта, являлся то обстоятельство, что единственным доказательством получения этими группами силицена были только результаты сканирующей туннельной микроскопии полученных образцов. Этого недостаточно, заявил Фогт, чтобы делать вывод о получении моноатомного кремниевого слоя. Сам Фогт и его коллега Де Падова пытались воспроизвести результаты, описанные в статье предыдущих «первооткрывателей» силицена, но неудачно.

В своей оригинальной работе исследователи попытались получить силицен с помощью простого осаждения кремния из паровой фазы на поверхность кристалла серебра. Фогт отмечает, что вся сумма информации о строении материала, межатомных расстояний и электронных свойств полученного в результате эксперимента образца позволяет с уверенностью говорить о получении силицена. Межатомные расстояния и другие характеристики, определенные экспериментально, отлично согласуются с теоретическими предсказаниями.

Следующей задачей будет попытка вырастить силицен на изоляционных материалах, с тем, чтобы лучше изучить его электрические свойства и понять, как можно будет использовать материал в производстве электронных устройств. Заодно Фогт заявил, что исследователи уже задумываются о синтезе и изучении аналогичного материала на основе германия – германицена (germanicene). Учитывая, что отныне перед материаловедением открылся целый класс подобных слоистых структур толщиной в один атом, работать с ними будет намного проще и перспективней.

Источник: facepla.net