सिलिसीन

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4×4) और दूसरी परतों की स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप छवि (√3×√3-β) एक पतली चांदी की फिल्म पर उगाए गए सिलिसीन का। छवि का आकार 16 × 16 एनएम।[1]

सिलिसीन सिलिकॉन का एक द्वि-आयामी आबंटन है, जिसमें ग्राफीन के समान हेक्सागोनल मधुकोश संरचना होती है। ग्रेफीन के विपरीत, सिलिसीन समतल नहीं है, लेकिन समय-समय पर बकल्ड टोपोलॉजी है; बहुस्तरीय ग्रेफीन की तुलना में सिलिसीन में परतों के बीच युग्मन अधिक मजबूत होता है; और सिलिसीन, 2डी सिलिका के ऑक्सीकृत रूप में ग्राफीन ऑक्साइड से बहुत अलग रासायनिक संरचना है।

इतिहास

हालांकि सिद्धांतकारों ने फ्री-स्टैंडिंग सिलिसीन के अस्तित्व और संभावित गुणों के बारे में अनुमान लगाया था,[2][3][4] शोधकर्ताओं ने पहली बार 2010 में सिलिकोन संरचनाओं का अवलोकन किया जो सिलिसीन के सूचक थे।[5][6] एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग करते हुए उन्होंने परमाणु विभेदन के साथ सिल्वर क्रिस्टल, एजी (110) और एजी (111) पर जमा किए गए स्व विधानसभा | सेल्फ-असेंबल सिलिसीन नैनोरिबन्स और सिलिसीन शीट का अध्ययन किया। छवियों ने षट्भुज को ग्राफीन के समान एक छत्ते की संरचना में प्रकट किया, जो, हालांकि, हेक्सागोन्स की नकल करते हुए चांदी की सतह से उत्पन्न हुए थे।[7] घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) की गणना से पता चला है कि सिलिकॉन परमाणु चांदी पर ऐसी छत्ते की संरचना बनाते हैं, और एक मामूली वक्रता अपनाते हैं जो ग्राफीन जैसी कॉन्फ़िगरेशन को अधिक संभावना बनाता है। हालाँकि, इस तरह के एक मॉडल को Si/Ag (110) के लिए अमान्य कर दिया गया है: Ag सतह Si सोखना पर एक लापता-पंक्ति पुनर्निर्माण प्रदर्शित करती है [8] और देखी गई मधुकोश संरचनाएं टिप कलाकृतियां हैं।[9] इसके बाद 2013 में सिलिसीन में डंबल पुनर्निर्माण की खोज की गई[10] जो स्तरित सिलिसीन के निर्माण तंत्र की व्याख्या करता है[11] और एजी पर सिलिसीन।[12] 2015 में, एक सिलिसीन क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर का परीक्षण किया गया था।[13] मौलिक विज्ञान अध्ययन और इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए द्वि-आयामी सिलिकॉन के अवसरों को खोलता है।[14][15][16] 2022 में, यह पाया गया कि Si/Ag(111) सतह मिश्रधातु के शीर्ष पर सिलिसीन/Ag(111) वृद्धि, द्वि-आयामी परत के लिए नींव और मचान के रूप में कार्य करती है।[17] हालाँकि, यह सवाल उठाता है कि क्या सतही मिश्रधातु के मजबूत रासायनिक बंधों के कारण सिलिसीन को वास्तव में द्वि-आयामी सामग्री के रूप में माना जा सकता है।

ग्राफीन के साथ समानताएं और अंतर

सिलिकॉन और कार्बन समान परमाणु हैं। वे आवर्त सारणी पर एक ही समूह में एक दूसरे के ऊपर और नीचे स्थित हैं, और दोनों में एक s है2</सुप> प2 इलेक्ट्रॉनिक संरचना। सिलिसीन और ग्राफीन की 2डी संरचनाएं भी काफी समान हैं, लेकिन दोनों में महत्वपूर्ण अंतर हैं।[18] जबकि दोनों हेक्सागोनल संरचनाएं बनाते हैं, ग्राफीन पूरी तरह से सपाट होता है, जबकि सिलिसीन एक हिरन के आकार का हेक्सागोनल आकार बनाता है। इसकी बकल वाली संरचना बाहरी विद्युत क्षेत्र को लागू करके सिलिसीन को एक ट्यून करने योग्य ऊर्जा अंतराल देती है। सिलिसीन की हाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रिया ग्राफीन की तुलना में अधिक एक्ज़ोथिर्मिक है। एक और अंतर यह है कि चूंकि सिलिकॉन के सहसंयोजक बंधों में स्टैकिंग (रसायन विज्ञान) नहीं होता है। पीआई-स्टैकिंग, सिलिसीन ग्रेफाइट जैसे रूप में क्लस्टर नहीं करता है। ग्रेफीन की प्लानर संरचना के विपरीत सिलिकिन में एक बल्ड संरचना का गठन मजबूत छद्म जाह्न-टेलर विकृतियों के लिए जिम्मेदार ठहराया गया है, जो बारीकी से भरे हुए और खाली इलेक्ट्रॉनिक राज्यों के बीच वाइब्रोनिक युग्मन के कारण उत्पन्न होती हैं।[19] सिलिसीन और ग्राफीन में समान इलेक्ट्रॉनिक संरचनाएँ होती हैं। दोनों का डायराक शंकु और डायराक बिंदुओं के चारों ओर फैलाव संबंध है। दोनों में क्वांटम स्पिन हॉल प्रभाव भी होता है। दोनों में बड़े पैमाने पर डिराक फर्मियंस की विशेषताएं होने की उम्मीद है जो चार्ज करते हैं, लेकिन यह केवल सिलिकिन के लिए भविष्यवाणी की गई है और इसे नहीं देखा गया है, संभावना है क्योंकि यह केवल फ्री-स्टैंडिंग सिलिकिन के साथ होने की उम्मीद है जिसे संश्लेषित नहीं किया गया है। ऐसा माना जाता है कि जिस सब्सट्रेट पर सिलिसीन बनाया जाता है, उसका उसके इलेक्ट्रॉनिक गुणों पर पर्याप्त प्रभाव पड़ता है।[19]

ग्राफीन में कार्बन परमाणुओं के विपरीत, सिलिकॉन परमाणु सपा को अपनाते हैं3 सपा पर संकरण2 सिलिसीन में, जो इसे सतह पर अत्यधिक रासायनिक रूप से सक्रिय बनाता है और इसके इलेक्ट्रॉनिक राज्यों को रासायनिक क्रियाशीलता द्वारा आसानी से ट्यून करने की अनुमति देता है।[20] ग्रेफीन की तुलना में, सिलिसीन के कई प्रमुख फायदे हैं: (1) एक बहुत मजबूत स्पिन-ऑर्बिट युग्मन, जो प्रायोगिक रूप से सुलभ तापमान में क्वांटम स्पिन हॉल प्रभाव का अहसास करा सकता है, (2) बैंड गैप की बेहतर ट्यूनेबिलिटी, जो एक प्रभावी क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (FET) कमरे के तापमान पर काम कर रहा है, (3) एक आसान घाटी ध्रुवीकरण और वैलीट्रोनिक्स अध्ययन के लिए अधिक उपयुक्तता के लिए आवश्यक है।[21] ग्राफीन के विपरीत, यह दिखाया गया है कि, एजी (111) द्वारा समर्थित कम से कम सिलिसीन एक सतह मिश्र धातु पर बढ़ता है।[17]इसलिए, ग्राफीन को अलग करने की तुलना में, यदि संभव हो तो, सिलिकिन को अलग करना बहुत कम तुच्छ है।

भूतल अलॉयिंग

Ag(111) पर सिलिसीन एक Si/Ag(111) सतह मिश्र धातु के ऊपर बढ़ता है, जिसे विभिन्न माप तकनीकों के संयोजन द्वारा दिखाया गया है।[17]सतह मिश्र धातु सिलिकिन के विकास से पहले, नींव के रूप में और द्वि-आयामी परत के लिए पाड़ के रूप में कार्य करती है। सिलिकॉन कवरेज में और वृद्धि होने पर, मिश्र धातु को सिलिसीन द्वारा कवर किया जाता है, फिर भी सभी कवरेज के लिए व्यापकता मौजूद है। इसका तात्पर्य यह है कि परत के गुण इसकी मिश्र धातु से अत्यधिक प्रभावित होते हैं।

बैंड गैप

सिलिकिन के शुरुआती अध्ययनों से पता चला है कि सिलिकिन संरचना के भीतर विभिन्न डोपेंट इसके बैंड गैप को ट्यून करने की क्षमता प्रदान करते हैं।[22] हाल ही में, एपिटैक्सियल सिलिसीन में बैंड गैप को ऑक्सीजन एडैटम्स द्वारा जीरो-गैप-टाइप से सेमीकंडक्टर-टाइप ट्यून किया गया है।[20]एक ट्यून करने योग्य बैंड गैप के साथ, विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक घटकों को विशिष्ट बैंड गैप की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए ऑर्डर-टू-ऑर्डर किया जा सकता है। बैंड गैप को 0.1 eV तक नीचे लाया जा सकता है, जो पारंपरिक फील्ड इफ़ेक्ट ट्रांजिस्टर (FETs) में पाए जाने वाले बैंड गैप (0.4 eV) से काफी छोटा है।[22]

एन-टाइप सेमीकंडक्टर को प्रेरित करना। सिलिसीन के भीतर एन-टाइप डोपिंग के लिए एक क्षार धातु डोपेंट की आवश्यकता होती है। राशि बदलने से बैंड गैप समायोजित हो जाता है। अधिकतम डोपिंग से बैंड गैप 0.5eV बढ़ जाता है। भारी डोपिंग के कारण आपूर्ति वोल्टेज भी सी होना चाहिए। 30 वी। क्षार धातु-डोप्ड सिलिसीन केवल एन-प्रकार अर्धचालक का उत्पादन कर सकता है; आधुनिक दिन के इलेक्ट्रॉनिक्स को पूरक एन-टाइप और पी-प्रकार अर्धचालक | पी-टाइप जंक्शन की आवश्यकता होती है। प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) जैसे उपकरणों का उत्पादन करने के लिए तटस्थ डोपिंग (आई-टाइप) की आवश्यकता होती है। एल ई डी प्रकाश उत्पन्न करने के लिए एक पिन जंक्शन का उपयोग करते हैं। पी-टाइप डोप्ड सिलिसीन उत्पन्न करने के लिए एक अलग डोपेंट पेश किया जाना चाहिए। इरिडियम (आईआर) डोप्ड सिलिसीन पी-टाइप सिलिसीन बनाने की अनुमति देता है। प्लैटिनम (पीटी) डोपिंग के माध्यम से, आई-टाइप सिलिसीन संभव है।[22]एन-टाइप, पी-टाइप और आई-टाइप डॉप्ड संरचनाओं के संयोजन के साथ, सिलिसीन में इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग के अवसर हैं।

नैनो-इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ काम करते समय पारंपरिक धातु ऑक्साइड सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (MOSFETs) के भीतर बिजली अपव्यय एक अड़चन उत्पन्न करता है। सुरंग क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (TFETs) पारंपरिक MOSFETs का एक विकल्प बन सकते हैं क्योंकि उनके पास एक छोटा सबथ्रेशोल्ड ढलान और आपूर्ति वोल्टेज हो सकता है, जो बिजली अपव्यय को कम करता है। कम्प्यूटेशनल अध्ययनों से पता चला है कि सिलिसीन आधारित टीएफईटी पारंपरिक सिलिकॉन आधारित एमओएसएफईटी से बेहतर प्रदर्शन करते हैं। सिलिसीन टीएफईटी में 1mA/μm से अधिक का ऑन-स्टेट करंट होता है, 77 mV/दशक का सब-थ्रेशोल्ड स्लोप और 1.7 V का सप्लाई वोल्टेज होता है। ऑन-स्टेट करंट और कम आपूर्ति वोल्टेज में बहुत वृद्धि के साथ, इन उपकरणों के भीतर बिजली अपव्यय होता है पारंपरिक MOSFETs और उसके समकक्ष TFETs से बहुत नीचे।[22]

प्रदर्शित बकल संरचना के साथ सिलिसीन में एक हेक्सागोनल रिंग का क्लोज़ अप।

गुण

2डी सिलिसीन पूरी तरह से प्लेनर नहीं है, जाहिर तौर पर रिंगों में कुर्सी जैसी सिकुड़न विकृतियों की विशेषता है। यह आदेशित सतह तरंगों की ओर जाता है। सिलिकानों के लिए सिलिकेन्स का हाइड्रोजनीकरण एक्ज़ोथिर्मिक है। इसने भविष्यवाणी की कि सिलिसीन को सिलिकेन (हाइड्रोजनीकृत सिलिसीन) में बदलने की प्रक्रिया हाइड्रोजन भंडारण के लिए एक उम्मीदवार है। ग्रेफाइट के विपरीत, जिसमें फैलाव बलों के माध्यम से ग्राफीन परतों के कमजोर रूप से रखे हुए ढेर होते हैं, सिलिकेन्स में इंटरलेयर युग्मन बहुत मजबूत होता है।

सिलिसीन की हेक्सागोनल संरचना का बकलिंग छद्म जाह्न-टेलर प्रभाव | छद्म जाह्न-टेलर विरूपण (PJT) के कारण होता है। यह आणविक कक्षीय (यूएमओ) और ऑक्युपाइडेड मॉलिक्यूलर ऑर्बिटल्स (ओएमओ) के मजबूत वाइब्रोनिक कपलिंग के कारण होता है। ये ऑर्बिटल्स ऊर्जा के काफी करीब हैं, जिससे सिलिसीन के उच्च समरूपता विन्यास में विकृति पैदा होती है। यूएमओ और ओएमओ के बीच ऊर्जा अंतर को बढ़ाकर पीजेटी विरूपण को दबाने के द्वारा बकल्ड संरचना को चपटा किया जा सकता है। यह लिथियम आयन जोड़कर किया जा सकता है।[19]

मौजूदा सेमीकंडक्टर तकनीकों के साथ इसकी संभावित अनुकूलता के अलावा, सिलिसीन का यह फायदा है कि इसके किनारे ऑक्सीजन प्रतिक्रियाशीलता प्रदर्शित नहीं करते हैं।[23] 2012 में, कई समूहों ने स्वतंत्र रूप से एजी (111) सतह पर चरणों का आदेश दिया।[24][25]Cite error: Closing </ref> missing for <ref> tag[26][27][28][29][30][31] ARPES परिणामों की व्याख्या करने के लिए एक बैंड अनफॉल्डिंग तकनीक का उपयोग किया गया था, जो देखे गए रैखिक फैलाव के सब्सट्रेट मूल को प्रकट करता है।[32] चांदी के अलावा, जिरकोनियम डाइबोराइड पर सिलिसीन के बढ़ने की सूचना मिली हैZrB
2,[33] और इरिडियम।[34] सैद्धांतिक अध्ययनों ने भविष्यवाणी की है कि अल (111) सतह पर एक मधुकोश-संरचित मोनोलेयर के रूप में सिलिसीन स्थिर है (4x4 एजी (111) सतह पर देखी गई बाध्यकारी ऊर्जा के साथ-साथ एक नया रूप जिसे पॉलीगोनल सिलिसीन कहा जाता है, इसकी संरचना 3-, 4-, 5- और 6-पक्षीय बहुभुजों से मिलकर।[35] Ag और Si के बीच p-d संकरण तंत्र लगभग सपाट सिलिकॉन समूहों को स्थिर करने के लिए महत्वपूर्ण है और DFT गणना और आणविक गतिकी सिमुलेशन द्वारा समझाए गए सिलिकिन विकास के लिए Ag सब्सट्रेट की प्रभावशीलता है।[30][36] एजी (111) पर एपिटैक्सियल 4 × 4 सिलिकिन की अनूठी संकरित इलेक्ट्रॉनिक संरचनाएं सिलिकिन सतह की अत्यधिक रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता को निर्धारित करती हैं, जो कि टनलिंग माइक्रोस्कोपी और एंगल-सॉल्यूड फोटोमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी को स्कैन करके प्रकट होती हैं। Si और Ag के बीच संकरण एक धात्विक सतह अवस्था में परिणत होता है, जो ऑक्सीजन सोखने के कारण धीरे-धीरे क्षय हो सकता है। एक्स-रे फोटोमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी ऑक्सीजन उपचार के साथ-साथ एजी (111) सतह के सापेक्ष ऑक्सीजन प्रतिरोध के बाद 4 × 4 सिलिसीन [एजी (111) के संबंध में] के विपरीत सी-एजी बॉन्ड के डिकॉप्लिंग की पुष्टि करता है।[30]


कार्यात्मक सिलिसीन

शुद्ध सिलिकिन संरचना से परे, क्रियाशील सिलिकिन में अनुसंधान ने ऑर्गोमोडिफाइड सिलिसीन की सफल वृद्धि प्राप्त की है - फिनायल की अंगूठी के साथ क्रियाशील ऑक्सीजन मुक्त सिलिसीन शीट।[37] इस तरह की कार्यात्मकता कार्बनिक सॉल्वैंट्स में संरचना के समान फैलाव की अनुमति देती है और नए कार्यात्मक सिलिकॉन सिस्टम और ऑर्गोसिलिकॉन नैनोशीट्स की एक श्रृंखला के लिए संभावित संकेत देती है।

सिलिसीन ट्रांजिस्टर

युनाइटेड स्टेट्स आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी|यू.एस. आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी 2014 से सिलिसीन पर अनुसंधान का समर्थन कर रही है। अनुसंधान प्रयासों के लिए घोषित लक्ष्य परमाणु पैमाने की सामग्री का विश्लेषण करना था, जैसे कि सिलिसीन, मौजूदा सामग्रियों से परे गुणों और कार्यात्मकताओं के लिए, जैसे ग्राफीन।[38] 2015 में, Deji Akinwande, CNR, इटली में Alessandro Molle के समूह के साथ टेक्सास विश्वविद्यालय, ऑस्टिन में शोधकर्ताओं का नेतृत्व किया, और यूनाइटेड स्टेट्स आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी | U.S. आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी और हवा में सिलिसीन को स्थिर करने के लिए एक विधि विकसित की और एक कार्यात्मक सिलिसीन फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर # कम्पोजीशन डिवाइस की सूचना दी। एक ऑपरेशनल ट्रांजिस्टर की सामग्री में बैंड गैप होना चाहिए, और यह अधिक प्रभावी ढंग से कार्य करता है यदि इसमें इलेक्ट्रॉनों की उच्च गतिशीलता होती है। एक बैंडगैप एक सामग्री में वैलेंस और कंडक्शन बैंड के बीच का क्षेत्र है जहां कोई इलेक्ट्रॉन मौजूद नहीं है। हालांकि ग्राफीन में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता होती है, सामग्री में एक बैंडगैप बनाने की प्रक्रिया इसकी कई अन्य विद्युत क्षमता को कम कर देती है।[39] इसलिए, क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर के रूप में सिलिसीन जैसे ग्राफीन एनालॉग्स का उपयोग करने की जांच की गई है। सिलिसीन की प्राकृतिक अवस्था में शून्य-बैंड गैप होने के बावजूद, संयुक्त राज्य अमेरिका की सेना अनुसंधान प्रयोगशाला के सहयोग से अकिनवांडे और मोले और सहकर्मी | यू.एस. आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी ने एक सिलिसीन ट्रांजिस्टर विकसित किया है। उन्होंने हवा में सिलिसीन की अस्थिरता को दूर करने के लिए "देशी इलेक्ट्रोड के साथ सिलिसीन एनकैप्सुलेटेड डिलेमिनेशन" (SEDNE) नामक एक प्रक्रिया तैयार की। सी-एजी के पीडी संकरण के कारण होने वाली स्थिरता का दावा किया गया है। उन्होंने एग की एक परत के ऊपर epitaxy के माध्यम से सिलिसीन की एक परत उगाई और दोनों को एल्यूमिना (अल) से ढक दिया।2O3). सिलिसीन, एजी और अल2O3 कमरे के तापमान पर एक निर्वात में संग्रहीत किया गया था और दो महीने की ट्रैक अवधि में देखा गया था। गिरावट के संकेतों के लिए नमूने का निरीक्षण करने के लिए रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी से गुजरना पड़ा, लेकिन कोई भी नहीं मिला। इस जटिल ढेर को तब एक SiO के ऊपर रखा गया था2 एजी के साथ सब्सट्रेट ऊपर का सामना करना पड़ रहा है। एक सिलिकोन चैनल को प्रकट करने के लिए एजी को बीच में एक पतली पट्टी में हटा दिया गया था। सब्सट्रेट पर सिलिसीन चैनल का जीवन दो मिनट का था जब हवा के संपर्क में आने तक यह अपना हस्ताक्षर रमन स्पेक्ट्रा खो देता था। लगभग 210 meV के एक बैंडगैप की सूचना मिली थी।[40][39]बैंडगैप के विकास में सिलिसीन पर सब्सट्रेट के प्रभाव को अनाज की सीमा के बिखरने और ध्वनिक फोनन के सीमित परिवहन द्वारा समझाया गया है,[40]साथ ही सिलिसीन और सब्सट्रेट के बीच समरूपता तोड़ने और संकरण प्रभाव से।[41] ध्वनिक फोनन जाली संरचना में उनके संतुलन की स्थिति से दो या दो से अधिक प्रकार के परमाणुओं के तुल्यकालिक आंदोलन का वर्णन करते हैं।

सिलिसीन नैनोशीट्स

आकर्षक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में उच्च-वोल्टेज सममित supercapacitor में 2डी सिलिसीन नैनोशीट का उपयोग किया जाता है।[42][43]


यह भी देखें

संदर्भ

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