Silicen

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Zur Navigation springen Zur Suche springen
Typische wellenförmige Struktur einer Silicen-Schicht.

Silicen (englisch silicene) ist die Bezeichnung für eine zwei-dimensionale, allotrope Modifikation des Siliciums, mit einer hexagonalen Wabenstruktur, ähnlich der des Graphens.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Obwohl bereits mehrere Theorien über die Existenz und die Materialeigenschaften von Silicen spekulierten,[1][2][3] wurden Siliciumstrukturen, die dem Silicen ähnlich sind, in Form von eindimensionalen Drähten im Jahre 2010 und als zweidimensionale Silicen Schichten 2012 beobachtet.[4][5] Durch Kombination von Rastertunnelmikroskopie und anderen experimentellen Verfahren war es möglich die Synthese von Silicen, also die Ablagerung von Silicen-Nanobändern und Silicen-Monoschichten – im Versuch durch die Ablagerung an Ag(110)- und Ag(111)-Oberflächen von Silberkristallen, auf atomarer Ebene zu untersuchen. Die Darstellungen zeigte Hexagone in einer Wabenstruktur, die der des Graphens ähnlich ist. Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen zeigten, dass Siliciumatome dazu neigen, Wabenformen an Silber zu bilden, unter Ausprägung einer geringen Krümmung. Im Falle der eindimensionalen Silicen Drähten auf Ag(110) Oberflächen wurde diese Interpretation jedoch später angezweifelt.[6] Im Jahr 2014 gelang es einem Team um Deji Akinwande der Universität Texas erstmals einen bei Raumtemperatur funktionierenden Feldeffekttransistor auf Basis von Silicen herzustellen.[7]

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gekrümmte Struktur des hexagonalen Silicen-Rings.

Im Jahre 2012 berichteten mehrere unabhängige Forschergruppen von geordneten Phasen an Ag(111)-Kristallen.[5][8][9] Untersuchungen mithilfe der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie zeigten, dass Silicen eine ähnliche Elektronenkonfiguration wie Graphen hat. Beide bilden Dirac-Kegel aus und haben eine lineare Dispersion um den K-Punkt des Kristalls,[5] jedoch galt diese Interpretation als umstritten.[10][11][12][13] Die Existenz von masselosen Dirac-Fermionen (nach einem Modell der Dirac-Gleichung) in Silicen an Ag(111)-Kristallen wurde später durch Rastertunnelspektroskopie-Messungen bewiesen.[14]

Silicen ist nicht vollkommen planar, sondern weist leichte, regelmäßige Krümmungen innerhalb der Ringe von 0,44 Å (bei einer Bindungslänge von 2,28 Å) auf, resultierend in einer regelmäßigen Wellenform der einzelnen Schichten.[15] Da die Hydrierung des Silicens zu einem Silan exotherm verläuft, wird vermutet, dass diese Applikation zur Wasserstoffspeicherung eingesetzt werden kann. Als Ursache der unebenen Struktur des Silicen-Rings wird der Pseudo-Jahn-Teller-Effekt (PJT-Effekt) angegeben. Dies wird verursacht durch eine vibronische Kopplung der unbesetzten Molekülorbitale (engl. unoccupied molecular orbital, kurz UMO) mit den besetzten Molekülorbitalen (engl. occupied molecular orbital, kurz OMO). Diese Orbitale haben ein ähnlich hohes Energieniveau, um die Krümmung des sonst hochsymmetrischen Silicen-Rings zu verursachen. Durch Zugabe von Lithiumionen kann der Abstand des Energieniveaus zwischen UMO und OMO vergrößert werden, was in einer Unterdrückung des PJTs und somit in einer Abflachung der Struktur resultiert.[16] Zusätzlich zur möglichen Kompatibilität mit bereits existierenden Halbleitertechnologien, hat Silicen den Vorteil, dass die Schichtenränder keinerlei Reaktivität mit Luftsauerstoff zeigten.[17]

Die Ausprägung von Silicen-Monoschichten wurde neben Silber außerdem an weiteren Kristallen beobachtet, wie Zirkoniumdiborid,[18] und Iridium.[19] Theoretische Untersuchungen ergaben, dass Silicen an Al(111) eine stabile wabenförmige Schicht bildet, sowie ein sogenanntes „polygonales Silicen“, dessen Struktur aus 3-, 4-, 5- und 6-atomigen Ringen besteht.[20]

Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Silicen und Graphen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Silicium- und Kohlenstoffatome haben eine Vielzahl ähnlicher Eigenschaften. Sie befinden sich im Periodensystem innerhalb derselben Hauptgruppe (siehe: Kohlenstoffgruppe) und bilden sp2-Hybridorbitale. Die 2D-Strukturen von Silicen und Graphen weisen ebenfalls eine hohe Anzahl an Ähnlichkeiten auf, haben jedoch signifikante Unterscheidungsmerkmale. Beide Schichten bestehen aus hexagonalen Wabenstrukturen, jedoch ist die Graphenschicht vollkommen flach, während die Silicenschicht leicht gewellt und gekrümmt ist. Diese Krümmung verleiht Silicen in Anwesenheit eines externen elektrischen Feldes eine einstellbare Bandlücke. Im Gegensatz zu Graphit, welches aus Graphen-Schichten besteht, die durch schwache London-Kräfte verbunden sind, sind die Bindungskräfte innerhalb der Monoschichten bei Silicen vergleichsweise stark. Da die Siliciumringe jedoch keine π-π-Wechselwirkungen ausbilden, kommt es bei Silicen nicht zu einer graphitartigen Zusammenklumpung der Ringe zu fullerenartigen Gebilden.[16] Silicen und Graphen haben eine ähnliche Elektronenkonfiguration. Beide bilden Dirac-Kegel aus und haben eine lineare Dispersion um den K-Punkt des Kristalls. Beide haben außerdem einen Quanten-Spin-Hall-Effekt.[16]

Silicen-Schichten mit funktionellen Gruppen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Neben der reinen Silicenstruktur ist es gelungen organo-modifizierte Monoschichten mit Phenylringen als funktionelle Gruppen an den freien Elektronen herzustellen.[21] Diese Einbringung der funktionellen Gruppen ermöglicht als Anwendung eine Dispersion der Schicht in organischen Lösungsmitteln.

Mögliche Bedeutung für die Halbleitertechnik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Dieser Artikel oder Abschnitt ist nicht allgemeinverständlich formuliert. Die Mängel sind unter Diskussion:Silicen beschrieben. Wenn du diesen Baustein entfernst, begründe dies bitte auf der Artikeldiskussionsseite und ergänze den automatisch erstellten Projektseitenabschnitt Wikipedia:Unverständliche Artikel#Silicen um {{Erledigt|1=~~~~}}.

Als ein neues Halbleitermaterial kombiniert Silicen die Eigenschaften von Silizium und Graphen und ist damit einer der aussichtsreichsten Kandidaten für die Herstellung noch kleinerer elektronischer Schaltungen für zukünftige Miniaturisierung. Bereits frühe Studien zu Silicen haben gezeigt, dass es möglich ist, die Bandlücke des Siliciums, durch Dotierung, also durch gezielte elementare Verunreinigungen der Siliciumstruktur, zu justieren.[22] Die Bandlücke kann auf bis zu 0,1 eV reduziert werden, was deutlich geringer ist, als eine Bandlücke von 0,4 eV, die typischerweise für konventionelle Feldeffekttransistoren angegeben wird.[22] Dies bedeutet, dass bei gleicher Temperatur die intrinsische Leitfähigkeit eines Halbleiters auf Silicenbasis höher ist.

Eine mögliche n-Dotierung des Silicens kann durch ein Alkalimetall erreicht werden, wobei die Menge des Alkalimetalls einen direkten Einfluss auf die Bandlücke hat. Auf diese Weise kann eine maximale Bandlücke von 0,5 eV erzielt werden. Jedoch werden mit diesem Verfahren ausschließlich n-dotierte Halbleiter gewonnen, was für den Aufbau von elektronischen Schaltungen in CMOS-Technologie ungenügend ist, da dabei eine n- und eine p-Dotierung notwendig ist.

Für die Nanoelektronik sind die Verluste in konventionellen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) ein großes Problem. Tunnel-Feldeffekttransistoren (TFET) könnten hierfür eine Alternative für die konventionellen MOSFETs sein, da diese eine niedrigere Versorgungsspannung benötigen und bei der Annäherung an die Schwellenspannung des Transistors einen niedrigeren Abfall verzeichnen – beides Faktoren, die zu geringeren Verlusten führen. In Simulationen wurde gezeigt, dass silicenbasierte TFETs hierbei traditionelle siliciumbasierte MOSFETs übertreffen. Der tatsächliche Nachweis und Aufbau in Praxis fehlt allerdings.[22]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Kyozaburo Takeda, Kenji Shiraishi: Theoretical possibility of stage corrugation in Si and Ge analogs of graphite. In: Physical Review B. Band 50, Nr. 20, 15. November 1994, S. 14916–14922, doi:10.1103/PhysRevB.50.14916.
  2. Gian G. Guzmán-Verri, L. C. Lew Yan Voon: Electronic structure of silicon-based nanostructures. In: Physical Review B. Band 76, Nr. 7, 30. August 2007, S. 075131, doi:10.1103/PhysRevB.76.075131.
  3. S. Cahangirov, M. Topsakal, E. Aktürk, H. Şahin, S. Ciraci: Two- and One-Dimensional Honeycomb Structures of Silicon and Germanium. In: Physical Review Letters. Band 102, Nr. 23, 12. Juni 2009, S. 236804, doi:10.1103/PhysRevLett.102.236804.
  4. Bernard Aufray, Abdelkader Kara, Sébastien Vizzini, Hamid Oughaddou, Christel Léandri, Benedicte Ealet, Guy Le Lay: Graphene-like silicon nanoribbons on Ag(110): A possible formation of silicene. In: Applied Physics Letters. Band 96, Nr. 18, 3. Mai 2010, S. 183102, doi:10.1063/1.3419932.
  5. a b c Patrick Vogt, Paola De Padova, Claudio Quaresima, Jose Avila, Emmanouil Frantzeskakis, Maria Carmen Asensio, Andrea Resta, Bénédicte Ealet, Guy Le Lay: Silicene: Compelling Experimental Evidence for Graphenelike Two-Dimensional Silicon. In: Physical Review Letters. Band 108, Nr. 15, 12. April 2012, S. 155501, doi:10.1103/PhysRevLett.108.155501.
  6. S. Colonna, G. Serrano, P. Gori, A. Cricenti, F. Ronci: Systematic STM and LEED investigation of the Si/Ag(110) surface. In: Journal of Physics: Condensed Matter. Band 25, Nr. 31, 7. August 2013, S. 315301, doi:10.1088/0953-8984/25/31/315301.
  7. L. i. Tao, Eugenio Cinquanta, Daniele Chiappe, Carlo Grazianetti, Marco Fanciulli, Madan Dubey, Alessandro Molle, Deji Akinwande: Silicene field-effect transistors operating at room temperature. In: Nature Nanotechnology. 2015, doi:10.1038/nnano.2014.325.
  8. Chun-Liang Lin, Ryuichi Arafune, Kazuaki Kawahara, Noriyuki Tsukahara, Emi Minamitani, Yousoo Kim, Noriaki Takagi, Maki Kawai: Structure of Silicene Grown on Ag(111). In: Applied Physics Express. Band 5, Nr. 4, 1. April 2012, S. 045802, doi:10.1143/APEX.5.045802.
  9. Baojie Feng, Zijing Ding, Sheng Meng, Yugui Yao, Xiaoyue He, Peng Cheng, Lan Chen, Kehui Wu: Evidence of Silicene in Honeycomb Structures of Silicon on Ag(111). In: Nano Letters. Band 12, Nr. 7, 11. Juli 2012, S. 3507–3511, doi:10.1021/nl301047g.
  10. Zhi-Xin Guo, Shinnosuke Furuya, Jun-ichi Iwata, Atsushi Oshiyama: Absence of Dirac Electrons in Silicene on Ag(111) Surfaces. In: Journal of the Physical Society of Japan. Band 82, Nr. 6, 29. Mai 2013, S. 063714, doi:10.7566/JPSJ.82.063714.
  11. R. Arafune, C.-L. Lin, R. Nagao, M. Kawai, N. Takagi: Comment on “Evidence for Dirac Fermions in a Honeycomb Lattice Based on Silicon”. In: Physical Review Letters. Band 110, Nr. 22, Mai 2013, doi:10.1103/PhysRevLett.110.229701.
  12. Chun-Liang Lin, Ryuichi Arafune, Kazuaki Kawahara, Mao Kanno, Noriyuki Tsukahara, Emi Minamitani, Yousoo Kim, Maki Kawai, Noriaki Takagi: Substrate-Induced Symmetry Breaking in Silicene. In: Physical Review Letters. Band 110, Nr. 7, 11. Februar 2013, S. 076801, doi:10.1103/PhysRevLett.110.076801.
  13. Paola Gori, Olivia Pulci, Fabio Ronci, Stefano Colonna, Friedhelm Bechstedt: Origin of Dirac-cone-like features in silicon structures on Ag(111) and Ag(110). In: Journal of Applied Physics. Band 114, Nr. 11, 21. September 2013, S. 113710, doi:10.1063/1.4821339.
  14. Lan Chen, Cheng-Cheng Liu, Baojie Feng, Xiaoyue He, Peng Cheng, Zijing Ding, Sheng Meng, Yugui Yao, Kehui Wu: Evidence for Dirac Fermions in a Honeycomb Lattice Based on Silicon. In: Physical Review Letters. Band 109, Nr. 5, 3. August 2012, S. 056804, doi:10.1103/PhysRevLett.109.056804.
  15. Emilio Scalise, Michel Houssa, Geoffrey Pourtois, B. van den Broek, Valery Afanas’ev, André Stesmans: Vibrational properties of silicene and germanene. In: Nano Research. Band 6, Nr. 1, 2013, S. 19–28, doi:10.1007/s12274-012-0277-3.
  16. a b c Deepthi Jose, Ayan Datta: Structures and Chemical Properties of Silicene: Unlike Graphene. In: Accounts of Chemical Research. Band 47, Nr. 2, 18. Februar 2014, S. 593–602, doi:10.1021/ar400180e.
  17. Paola De Padova, Christel Leandri, Sebastien Vizzini, Claudio Quaresima, Paolo Perfetti, Bruno Olivieri, Hamid Oughaddou, Bernard Aufray, Guy Le Lay: Burning Match Oxidation Process of Silicon Nanowires Screened at the Atomic Scale. In: Nano Letters. Band 8, Nr. 8, 2008, S. 2299–2304, doi:10.1021/nl800994s.
  18. Antoine Fleurence, Rainer Friedlein, Taisuke Ozaki, Hiroyuki Kawai, Ying Wang, Yukiko Yamada-Takamura: Experimental Evidence for Epitaxial Silicene on Diboride Thin Films. In: Physical Review Letters. Band 108, Nr. 24, 11. Juni 2012, S. 245501, doi:10.1103/PhysRevLett.108.245501.
  19. Lei Meng u. a.: Buckled Silicene Formation on Ir(111). In: Nano Letters. Band 13, Nr. 2, 13. Februar 2013, S. 685–690, doi:10.1021/nl304347w.
  20. Tetsuya Morishita, Michelle J. S. Spencer, Shuhei Kawamoto, Ian K. Snook: A New Surface and Structure for Silicene: Polygonal Silicene Formation on the Al(111) Surface. In: The Journal of Physical Chemistry C. Band 117, Nr. 42, 24. Oktober 2013, S. 22142–22148, doi:10.1021/jp4080898.
  21. Yusuke Sugiyama, Hirotaka Okamoto, Takuya Mitsuoka, Takeshi Morikawa, Koji Nakanishi, Toshiaki Ohta, Hideyuki Nakano: Synthesis and Optical Properties of Monolayer Organosilicon Nanosheets. In: Journal of the American Chemical Society. Band 132, Nr. 17, 5. Mai 2010, S. 5946–5947, doi:10.1021/ja100919d.
  22. a b c Zeyuan Ni, Hongxia Zhong, Xinhe Jiang, Ruge Quhe, Guangfu Luo, Yangyang Wang, Meng Ye, Jinbo Yang, Junjie Shi, Jing Lu: Tunable band gap and doping type in silicene by surface adsorption: towards tunneling transistors. In: Nanoscale. Band 6, Nr. 13, 13. Juni 2014, S. 7609–7618, doi:10.1039/C4NR00028E.