Группе исследователей из Франции, США, Италии и Испании впервые удалось получить силицен — атомарный слой кремния.

Он был выращен методом молекулярно-лучевой эпитаксии на серебряной подложке. По мнению ученых, кремниевый «родственник» графена должен продлить жизнь закону Мура, описывающему процесс миниатюризации микроэлектронных устройств со временем.

В последнее время графен — слой атомов углерода — стал одним из самых «горячих» и популярных материалов в физических исследованиях. И это неудивительно, ведь он обладает уникальными механическими, теплопроводящими, электрическими и даже оптическими свойствами. Правда, есть одно существенное но. Когда говорят о практическом применении графена, прежде всего подразумевают его предположительное использование в микроэлектронике (лучше даже сказать в «наноэлектронике») — создание графенового «микропроцессора». Эндрю Гейм и Константин Новосёлов называли даже сроки реализации такого устройства — приблизительно 20 лет. Однако современная микроэлектроника по-прежнему строится на кремниевой основе, а значит, перейти на углеродные технологии не так уж и просто. Поэтому неудивительно, что некоторые группы ученых пытаются получить эдакий аналог графена — силицен, представляющий собой атомарный слой кремния. При этом хотелось бы, чтобы свойства силицена не сильно отличались от графеновых.

Изображение параллельных силиценовых полосок,
выращенных при комнатной температуре
на серебряной подложке размером 6,2 × 6,2 нм.

В последнее время графен — слой атомов углерода — стал одним из самых «горячих» и популярных материалов в физических исследованиях. И это неудивительно, ведь он обладает уникальными механическими, теплопроводящими, электрическими и даже оптическими свойствами. Правда, есть одно существенное но. Когда говорят о практическом применении графена, прежде всего подразумевают его предположительное использование в микроэлектронике (лучше даже сказать в «наноэлектронике») — создание графенового «микропроцессора». Эндрю Гейм и Константин Новосёлов называли даже сроки реализации такого устройства — приблизительно 20 лет. Однако современная микроэлектроника по-прежнему строится на кремниевой основе, а значит, перейти на углеродные технологии не так уж и просто. Поэтому неудивительно, что некоторые группы ученых пытаются получить эдакий аналог графена — силицен, представляющий собой атомарный слой кремния. При этом хотелось бы, чтобы свойства силицена не сильно отличались от графеновых.

В 2000 году в журнале Physical Review B вышла статья с любопытным названием Ab initio calculations for a hypothetical material: Silicon nanotubes («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 скрутить нанотрубку) они могут проявлять металлические и полупроводниковые свойства, также как и углеродные нанотрубки. Это была первая попытка изучить, пусть и теоретически, кремниевые структуры, подобные углеродным.

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 с легкостью использована и для случая, когда эти трубки разворачиваются в плоскость, превращаясь, соответственно, либо в графен, либо в силицен. Поэтому можно говорить о том, что работа ученых из Бразилии была первым шагом на пути к получению силицена. Кстати, кремниевые нанотрубки уже получены, причем сравнительно давно — в 2005 году (см. статьи Experimental imaging of silicon nanotubes и Silicon Nanotubes, последняя статья находится в открытом доступе здесь, PDF, 306 Кб).

изображение решетки силиценовых полосок с шагом приблизительно 2 нм. Размер изображения 22 × 20 нм. Все картинки получены с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Подробное же исследование характеристик силицена (и других кремниевых атомных структур), опять-таки теоретическое, было выполнено в 2007 году в статье Electronic structure of silicon-based nanostructures. Вывод, полученный авторами этой статьи для силицена, таков: свойства силицена практически идентичны свойствам его углеродного «родственника» графена. К примеру, носители заряда обладают таким же линейным законом дисперсии — энергетическим спектром частиц в кристалле. Это означает, что, например, электроны, находящиеся в определенных участках кристаллической структуры силицена, ведут себя как частицы, не имеющие массы. Подобное поведение присуще также еще одной частице — фотону. Правда, как показали расчеты, — и это одно из отличий силицена от графена — скорость движения «безмассовых» электронов в силицене на порядок меньше, чем графеновых.

Итак, дело оставалось за малым — получить силицен. И, похоже, это удалось группе ученых из Марсельского междисциплинарного центра нанонауки под руководством Кристеля Леандри.

Силицен был получен методом молекулярно-лучевой эпитаксии на серебряной подложке. В препринте Physics of Silicene Stripes содержатся изображения силиценовых полосок толщиной в один атом кремния, полученные с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Кроме того, авторы заявляют о детально изученных физических и химических свойствах силицена. Одно из них заключается в большей химической стабильности силиценовых полосок по сравнению с графеновыми. В частности, речь идет о сильной химической активности атомов углерода, находящихся на краях графеновых полосок, в то время как силиценовые края подвержены такому явлению в значительно меньшей степени. Грубо говоря, удержать силицен в руках и не разрушить его намного проще, чем графен.

Интересно, что в своей работе, опубликованной в Архиве, исследователи ссылаются на свою же неопубликованную пока что статью, в которой силицен будет изучен более подробно.

Таким образом, вслед за кремниевыми нанотрубками была получена и другая структурная разновидность кремния — силицен. По мнению авторов статьи, применение силицена в микроэлектронике должно продлить жизнь закону Мура, согласно которому емкость запоминающих устройств удваивается примерно каждые два года при их неуклонной миниатюризации.