सिलिसीन

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

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

इतिहास

चूंकि सिद्धांतकारों ने मुक्त-स्टैंडिंग सिलिसीन के अस्तित्व और संभावित गुणों के बारे में अनुमान लगाया था,[2][3][4] शोधकर्ताओं ने पहली बार सिलिकॉन संरचनाओं का अवलोकन किया जो 2010 में सिलिसीन के विचारोत्तेजक थे।[5][6] स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग करते हुए उन्होंने परमाणु संकल्प के साथ चांदी के क्रिस्टल, Ag (110) और Ag (111) पर जमा स्व-असेंबल सिलिसीन नैनोरिबन्स और सिलिसीन शीट का अध्ययन किया। छवियों ने ग्राफीन के समान छत्ते की संरचना में हेक्सागोन्स को प्रकट किया, जो, चूंकि, हेक्सागोन्स की नकल करते हुए चांदी की भूतल से उत्पन्न दिखाया गया था।[7] घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) की गणना से पता चला है कि सिलिकॉन परमाणु चांदी पर ऐसी मधुकोश संरचनाएं बनाते हैं, और सामान्य वक्रता अपनाते हैं जो ग्राफीन जैसी कॉन्फ़िगरेशन को अधिक संभावना बनाता है। चूँकि, इस तरह के मॉडल को Si/Ag (110) के लिए अमान्य कर दिया गया है: Ag भूतल Si अवशोषण पर 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 Ag पर स्तरित सिलिसीन के निर्माण तंत्र की व्याख्या करता है।[11][12]

2015 में, सिलिसीन फ़ील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर का परीक्षण किया गया था।[13] जो मौलिक विज्ञान अध्ययन और इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए द्वि-आयामी सिलिकॉन के अवसरों को प्रस्तुत करता है।[14][15][16]

2022 में, यह पाया गया कि Si/Ag(111) भूतल मिश्रधातु के शीर्ष पर सिलिसीन/Ag(111) वृद्धि, द्वि-आयामी परत के लिए नींव और मचान के रूप में कार्य करती है।[17] चूँकि, यह प्रश्न उठाता है कि क्या भूतली मिश्रधातु के कठोर रासायनिक बंधों के कारण सिलिसीन को वास्तव में द्वि-आयामी पदार्थ 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 s2 p2 इलेक्ट्रॉनिक संरचना है। सिलिसीन और ग्राफीन की 2डी संरचनाएं भी अत्यधिक समान हैं, लेकिन दोनों में महत्वपूर्ण अंतर हैं।[18] जबकि दोनों हेक्सागोनल संरचनाएं बनाते हैं, ग्राफीन पूरी तरह से समतल होता है, जबकि सिलिसीन हिरन के आकार का हेक्सागोनल आकार बनाता है। इसकी बकल वाली संरचना बाहरी विद्युत क्षेत्र को प्रयुक्त करके सिलिसीन को ट्यून करने योग्य बैंड गैप 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 पाई-स्टैकिंग नहीं होती है, इसलिए सिलिसीन ग्रेफाइट जैसे रूप में समूहित नहीं होता है। ग्राफीन की प्लानर संरचना के विपरीत सिलिकिन में बल्ड संरचना का गठन कठोर छद्म जाह्न-टेलर विकृतियों के लिए उत्तरदायी ठहराया गया है, जो बारीकी से भरे हुए और खाली इलेक्ट्रॉनिक स्तरों के बीच वाइब्रोनिक युग्मन के कारण उत्पन्न होती हैं।[19]

सिलिसीन और ग्राफीन में समान इलेक्ट्रॉनिक संरचनाएँ होती हैं। दोनों में डायराक बिंदुओं के चारों डायराक शंकु और रैखिक इलेक्ट्रॉनिक फैलाव है। दोनों में क्वांटम स्पिन हॉल प्रभाव भी होता है। दोनों से आशा की जाती है कि आवेशित करने वाले बड़े पैमाने पर डायराक फ़र्मियन की विशेषताएं हों, लेकिन यह केवल सिलिकिन के लिए भविष्यवाणी की गई है और इसे नहीं देखा गया है, संभावना है क्योंकि यह केवल मुक्त-स्टैंडिंग सिलिकिन के साथ होने की आशा 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 सिलिसीन में sp2 के ऊपर sp3 संकरण को अपनाते हैं, जो इसे भूतल पर अत्यधिक रासायनिक रूप से सक्रिय बनाता है और इसकी इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं को रासायनिक क्रियाशीलता द्वारा सरलता से ट्यून करने की अनुमति देता है।[20]

ग्राफीन की तुलना में, सिलिसीन के कई प्रमुख लाभ हैं: (1) बहुत कठोर स्पिन-ऑर्बिट युग्मन, जो प्रायोगिक रूप से सुलभ तापमान में क्वांटम स्पिन हॉल प्रभाव की प्राप्ति का कारण बन सकता है, (2) बैंड गैप की उत्तम ट्यूनेबिलिटी, जो प्रभावी क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (एफईटी) कमरे के तापमान पर काम करने के लिए आवश्यक है, (3) सरल घाटी ध्रुवीकरण और वैलीट्रोनिक्स अध्ययन के लिए अधिक उपयुक्तता के लिए आवश्यक है।[21]

ग्राफीन के विपरीत, यह दिखाया गया है कि, Ag (111) द्वारा समर्थित कम से कम सिलिसीन भूतल 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 Si/Ag(111) भूतल मिश्र धातु के ऊपर बढ़ता है, जिसे विभिन्न माप विधियों के संयोजन द्वारा दिखाया गया है।[17] भूतल 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 उपस्थित है। इसका तात्पर्य यह है कि परत के गुण इसकी मिश्र धातु से अत्यधिक प्रभावित होते हैं।

बैंड गैप

सिलिकिन के प्रारंभिक अध्ययनों से पता चला है कि सिलिकिन संरचना के अन्दर 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 अर्धचालक-टाइप ट्यून किया गया है।[20] 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 (एफईटी) में पाए जाने वाले बैंड गैप (0.4 eV) से अत्यधिक कम है।[22]

को प्रेरित करना। सिलिसीन के अन्दर एन-टाइप डोपिंग के लिए 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 c. 30V होना चाहिए। क्षार धातु-डोप्ड सिलिसीन केवल एन-टाइप अर्धचालक का उत्पादन कर सकता है; आधुनिक दिन के इलेक्ट्रॉनिक्स को पूरक एन-टाइप और 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। एलईडी प्रकाश उत्पन्न करने के लिए पिन जंक्शन का उपयोग करते हैं। पी-टाइप डोप्ड सिलिसीन उत्पन्न करने के लिए अलग डोपेंट प्रस्तुत 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 अर्धचालक फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (एमओएसएफईटी) के अन्दर विद्युत अपव्यय अड़चन उत्पन्न करता है। सुरंग फ़ील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (टीएफईटी) पारंपरिक एमओएसएफईटी का विकल्प बन सकते हैं क्योंकि उनके पास छोटा सबथ्रेशोल्ड ढलान और आपूर्ति वोल्टेज हो सकता है, जो विद्युत अपव्यय को कम करता है। कम्प्यूटेशनल अध्ययनों से पता चला है कि सिलिसीन आधारित टीएफईटी पारंपरिक सिलिकॉन आधारित एमओएसएफईटी से उत्तम प्रदर्शन करते हैं। सिलिसीन टीएफईटी में 1mA/μm से अधिक का ऑन-स्टेट विद्युत होता है, 77 mV/दशक का सब-थ्रेशोल्ड स्लोप और 1.7 V का सप्लाई वोल्टेज होता है। ऑन-स्टेट विद्युत और कम आपूर्ति वोल्टेज में बहुत वृद्धि के साथ, इन उपकरणों के अन्दर विद्युत का अपव्यय पारंपरिक एमओएसएफईटी और इसके समकक्ष टीएफईटी से बहुत कम है।[22]

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

गुण

2डी सिलिसीन पूरी तरह से प्लेनर नहीं है, सामान्यतः रिंगों में कुर्सी जैसी सिकुड़न विकृतियों की विशेषता है। यह आदेशित भूतल 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 प्रतिनिधि है। ग्रेफाइट के विपरीत, जिसमें फैलाव बलों के माध्यम से ग्राफीन परतों के अशक्त रूप से रखे हुए ढेर होते हैं, सिलिकेन्स में इंटरलेयर युग्मन बहुत कठोर होता है।

सिलिसीन की हेक्सागोनल संरचना का बकलिंग छद्म जाह्न-टेलर विरूपण (पीजेटी) के कारण होता है। यह खाली आणविक कक्षाओं (यूएमओ) और ऑक्युपाइडेड आणविक कक्षाओं (ओएमओ) के कठोर वाइब्रोनिक कपलिंग के कारण होता है। ये कक्षीय ऊर्जा के अत्यधिक निकट हैं, जिससे सिलिसीन के उच्च समरूपता विन्यास में विकृति उत्पन्न 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]

वर्तमान अर्धचालक विधियों के साथ इसकी संभावित अनुकूलता के अतिरिक्त, सिलिसीन का यह लाभ है कि इसके किनारे ऑक्सीजन प्रतिक्रियाशीलता प्रदर्शित नहीं करते हैं।[23]

2012 में, कई समूहों ने स्वतंत्र रूप से Ag (111) भूतल पर चरणों का आदेश दिया।[24][25][26][27][28][29][30][31][32] एआरपीईएस परिणामों की व्याख्या करने के लिए बैंड अनफॉल्डिंग विधि का उपयोग किया गया था, जो देखे गए रैखिक फैलाव के सब्सट्रेट मूल को प्रकट करता है।[33]

चांदी के अतिरिक्त, ZrB
2 और इरिडियम पर सिलिसीन के बढ़ने की सूचना मिली है।[34][35] सैद्धांतिक अध्ययनों ने भविष्यवाणी की है कि Al (111) भूतल पर मधुकोश-संरचित मोनोलेयर (4x4 Ag (111) भूतल पर देखी गई बाध्यकारी ऊर्जा के साथ) के साथ-साथ "बहुभुज सिलिसीन" नामक नए रूप के रूप में सिलिसीन स्थिर है। इसकी संरचना में 3-, 4-, 5- और 6-पक्षीय बहुभुज सम्मिलित हैं।[36]

Ag और Si के बीच p-d संकरण तंत्र लगभग समतल सिलिकॉन समूहों को स्थिर करने के लिए महत्वपूर्ण है और डीएफटी गणना और आणविक गतिकी सिमुलेशन द्वारा समझाए गए सिलिकिन विकास के लिए Ag सब्सट्रेट की प्रभावशीलता है।[31][37] Ag (111) पर एपिटैक्सियल 4 × 4 सिलिकिन की अनूठी संकरित इलेक्ट्रॉनिक संरचनाएं सिलिकिन भूतल 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 धात्विक भूतल 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 Ag (111) भूतल के सापेक्ष ऑक्सीजन प्रतिरोध के बाद 4 × 4 सिलिसीन [Ag (111) के संबंध में] के विपरीत Si-Ag बॉन्ड के डिकॉप्लिंग की पुष्टि करता है।[31]

कार्यात्मक सिलिसीन

शुद्ध सिलिकिन संरचना से हटकर, क्रियाशील सिलिकिन में अनुसंधान ने ऑर्गोमोडिफाइड सिलिसीन की सफल वृद्धि फिनायल रिंग के साथ क्रियाशील ऑक्सीजन मुक्त सिलिसीन शीट ने प्राप्त की है।[38] इस तरह की कार्यात्मकता कार्बनिक सॉल्वैंट्स में संरचना के समान फैलाव की अनुमति देती है और नए कार्यात्मक सिलिकॉन प्रणाली और ऑर्गोसिलिकॉन नैनोशीट्स की श्रृंखला के लिए संभावित संकेत देती है।

सिलिसीन ट्रांजिस्टर

अमेरिकी सेना अनुसंधान प्रयोगशाला 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, वर्तमान सामग्रियों से परे गुणों और कार्यात्मकताओं के लिए, जैसे ग्राफीन।[39] 2015 में, देजी अकिनवंडे, सीएनआर, इटली में एलेसेंड्रो मोले के समूह के साथ टेक्सास विश्वविद्यालय, ऑस्टिन में शोधकर्ताओं का नेतृत्व किया, और अमेरिकी सेना अनुसंधान प्रयोगशाला के साथ सहयोग किया और हवा में सिलिसीन को स्थिर करने के लिए विधि विकसित की और कार्यात्मक सिलिसीन क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर उपकरण की सूचना दी थी। परिचालन ट्रांजिस्टर की सामग्री में बैंडगैप होना चाहिए, और यदि इलेक्ट्रॉनों की उच्च गतिशीलता होती है तो यह अधिक प्रभावी ढंग से कार्य करता है। बैंडगैप सामग्री में वैलेंस और कंडक्शन बैंड के बीच का क्षेत्र है जहां कोई इलेक्ट्रॉन उपस्थित नहीं है। चूंकि ग्राफीन में इलेक्ट्रॉनों की उच्च गतिशीलता होती है, सामग्री में बैंडगैप बनाने की प्रक्रिया इसकी कई अन्य विद्युत क्षमता को कम कर देती है।[40]

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 अतिरिक्त, अमेरिकी सेना अनुसंधान प्रयोगशाला के सहयोग से अकिनवांडे और मोले और सहकर्मियों ने सिलिसीन ट्रांजिस्टर विकसित किया है। उन्होंने हवा में सिलिसीन की अस्थिरता को दूर करने के लिए "देशी इलेक्ट्रोड के साथ सिलिसीन एनकैप्सुलेटेड डिलेमिनेशन" (एसईडीएनई) नामक प्रक्रिया तैयार की थी। Si-Ag के पीडी संकरण के कारण होने वाली स्थिरता का प्रमाण किया गया है। उन्होंने एपिटैक्सी के माध्यम से Ag की परत के ऊपर सिलिसीन की परत उगाई और दोनों को एल्यूमिना (Al2O3) से ढक दिया। सिलिसीन, Ag और Al2O3 को कमरे के तापमान पर निर्वात में संग्रहीत किया गया और दो महीने की ट्रैक अवधि में देखा गया। गिरावट के संकेतों के लिए नमूने का निरीक्षण करने के लिए रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी से निकलना पड़ा, लेकिन कोई भी नहीं मिला था। इस जटिल ढेर को तब SiO2 के ऊपर रखा गया था, जिसमें Ag का सामना करना पड़ रहा था। सिलिकोन चैनल को प्रकट करने के लिए Ag को बीच में 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 बैंडगैप की सूचना मिली थी।[41][40] बैंडगैप के विकास में सिलिसीन पर सब्सट्रेट के प्रभाव को अनाज की सीमाओं के बिखरने और ध्वनिक फोनन के सीमित परिवहन द्वारा समझाया गया है,[41] साथ ही सिलिसीन और सब्सट्रेट के बीच समरूपता तोड़ने और संकरण प्रभाव द्वारा समझाया गया है।[42] 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 पदार्थ के रूप में उच्च-वोल्टेज सममित सुपरकैपेसिटर में 2डी सिलिसीन नैनोशीट का उपयोग किया जाता है।[43][44]


यह भी देखें

संदर्भ

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