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Graphenähnliches Silicen revolutioniert die Nanoelektronik

Eine exotische Form von Silizium, das sogenannte Silicen, könnte die Realisierung einer neuen Generation von leistungsfähigeren nanoelektronischen Bauelementen möglich machen.
Graphenähnliches Silicen revolutioniert die Nanoelektronik
Silicen ist eine zweidimensionale, allotrope Modifikation des Siliziums, die über eine hexagonale Wabenstruktur ähnlich der von Graphen verfügt. Ungeachtet der phänomenalen Eigenschaften von Graphen stellen dessen Wachstum auf großen Flächen und die Einbindung in gegenwärtige Nanotechnologien auf Siliziumbasis bedeutende Herausforderungen dar.

Die experimentelle Synthese von Silicen regte zu facettenreichen theoretischen Untersuchungen von dessen physikalischen - insbesondere elektronischen - Eigenschaften an. Zum Beispiel demonstrierten die Forscher, dass die Bandstruktur von Silicen der von Graphen einschließlich der Dirac-Elektronendispersion in der Nähe der Ecken der hexagonalen Brillouin-Zone ähnelt. Zudem fand man heraus, dass Silicen einen stabilen Quantenspin-Hall-Effekt aufrechterhalten kann.

Bis in die jüngste Zeit war es schwierig, frei stehendes Silicen zu synthetisieren. Im Rahmen des Projekts SILINANO (Silicene, a new material for nanoelectronics) experimentierten die Wissenschaftler erfolgreich mit der Ablagerung von Silicen auf Silbersubstraten. Die starke Wechselwirkung zwischen Silicen und Metallen, in diesem Fall Silber, kann sich jedoch nachteilig auf die elektronischen Eigenschaften von Silicen auswirken. Deswegen richteten sich die Anstrengungen des Teams auf die Adsorption organischer Moleküle (Metalloporphyrine) in dessen Oberfläche.

Unter Einsatz eines experimentellen Verfahrens mit der Bezeichnung winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES) erforschten die Wissenschaftler sorgfältig, auf welche Weise die Eigenschaften der organischen Moleküle die elektronische Struktur der Silber-Silicen-Oberfläche beeinflussen können.

Zudem gelang den Forschern das Nachrüsten des Versuchsaufbaus und sie entwickelten ein Standardprotokoll zur Durchführung von temperaturabhängigen Photoemissionexperimenten. Somit wurde die Identifizierung der am besten geeigneten Wachstumsbedingungen für Silicen ermöglicht sowie der Erkenntnisstand von dessen Oberflächenchemie erweitert.

Das Team experimentierte mit der Funktionalisierung von Graphen auf einem Iridiumsubstrat durch Interkalation von Kobalt und mit der Bildung weiterer kovalenter 2D-Blatt-Netzwerke unter Nutzung temperaturprogrammierter Röntgen-Photoelektronenspektroskopie. Ein noch besseres Verständnis der Bildung der zweidimensionalen Schicht als eine Funktion der molekularen und co-abgelagerten Katalysatorabdeckung sollte die Entwicklung derartiger Schichten im industriellem Maßstab ermöglichen.

Mit den kombinierten Eigenschaften von Silizium und Graphen verkörpert Silicen einen großen Schritt nach vorn in Richtung auf das Ziel einer weiteren Miniaturisierung der Nanoelektronik. Im Gegensatz zu Graphen hat Silicen eine kleine Bandlücke, was seine Eignung für den Einsatz in Nanoelektronikanwendungen, besonders für Transistoren, unterstreicht.

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Schlüsselwörter

Graphen, Silicen, Nanoelektronik, Silber, Porphyrin, Spektroskopie
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