| تاریخ ارسال: 1404/4/11 |
شکل ۱
(سمت چپ) شماتیک که ساختار لانه زنبوری کاربید سیلیکون تک لایه را به تصویر می کشد. (راست) تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری کاربید سیلیکون تک لایه.
https://doi.org/۱۰.۱۱۰۳/PhysRevLett.۱۳۰.۰۷۶۲۰۳
https://doi.org/۱۰.۳۳۹۰/nano۱۱۰۷۱۷۹۹
کاربید سیلیکون به خاطر خواص مکانیکی استثنایی خود در دنیای سرامیک شناخته شده است. ترکیب سختی بالا، استحکام زیاد و چگالی کم آن تقریبا بی نظیر است. امکان تکرار این ویژگی ها در دو بعد، مورد علاقه شدید پژوهشگران قرار گرفته است. اما سنتز کاربید سیلیکون دو بعدی نشان داده که یک چالش بزرگ است .دلیل این چالش تا حدی به دلیل ترجیحات پیوند شیمیایی مختلف بین سیلیکون و کربن است.
کربن هنگام پیوند با خود، به طور طبیعی در ساختارهای مسطح و لایه ای تشکیل می شود. هیبریداسیون (sp۲)، برعکس آن، سیلیکون ترجیح می دهد به شکل کمانش یا راه راه بپیوندد (هیبریداسیون sp۳). محاسبات پایه ای پیش بینی می کند که کاربید سیلیکون پیوندی (مسطح) sp۲ نه تنها امکان پذیر است، بلکه باید از نظر انرژی مطلوب ترین پیکربندی برای این ماده در دو بعد باشد. با این حال، بیشتر تلاش های تجربی تا به امروز در مورد سنتز کاربید سیلیکون دو بعدی به ساختار لانه زنبوری ایده آل دست پیدا نکرد. دلیل شکست این است که نانوصفحات چند لایه - حتی فقط یک دو لایه - شبیه ساختار کاربید سیلیکون توده ای هستند که از پیوند sp۳ تشکیل شده است. فقط یک تک لایه واقعی از کاربید سیلیکون می تواند ساختار مسطح پایدار را تشکیل دهد.
دو مقاله جدید با موفقیت به کاربید سیلیکون تک لایه دست یافتند و همانطور که در زیر توضیح داده است، آن را، از طریق دو رویکرد کاملا متفاوت به دست اورده اند.
سنتز از بالا به پایین کاربید سیلیکون تک لایه
پژوهشگران دانشگاه نیومکزیکو در ژوئیه ۲۰۲۱، مقاله ای با دسترسی آزاد منتشر کردند که یک روش از بالا به پایین برای سنتز کاربید سیلیکون تک لایه را توصیف می کند. ترفند استفاده از رویکرد از بالا به پایین این است که کاربید سیلیکون فله دارای پیوند sp۳ است. به این ترتیب، برای جداسازی تک لایه کاربید سیلیکون باید یک تبدیل فاز از پیوند sp۳ به sp۲ وجود داشته باشد. محققان سیلیکون کاربید شش گوشه ای را با استفاده اولتراسونیک حمامی در ایزوپروپیل الکل یاN متیل ۲ پیرولیدون در حمام به مدت ۲۴ ساعت ورقه ورقه کردند. سپس آنها پخش را به مدت تقریباً ۵ دقیقه با سرعت متوسط ۱,۰۰۰ دور در دقیقه در توسط سانتریفیوژ جدا شدند. ورقه های مجزای سیلیکون کاربید روی زیرلایه‌های مختلفی مانند مش کربن سوراخ‌دار یا زیرلایه سیلیکون قرار داده شد و قبل از مشخصه نمایی با میکروسکوپ الکترونی و طیف‌سنجی رامان، در شرایط محیطی خشک شدند.
مشخصه نمایی قطرات تأیید کرد که کاربید سیلیکون تک لایه دارای ساختار صفحه‌ای ثابتی است. تحلیل‌های اضافی مشخصه های نوری ماده نشان داد که نانوصفحات در محدوده مرئی انتشار قوی دارند. پژوهشگران نتیجه گیری کردند“این نتایج نشان می‌دهد که SiC دوبعدی ممکن است برای دستگاه‌های تابش نور آبی-سبز، مثل دیودهای ساطع کننده نور، و همچنین مدارهای میکرو/نانو الکترونیکی یکپارچه، مانند چیپ‌های کامپیوتری یکپارچه LED و برپسب زنی زیستی و حس زیستی و استفاده شود”
شکل ۲ (a) عکس‌هایی از فرایند لایه‌برداری و کاربید سیلیکون پراکنده‌شده. (b) تصویر میکروسکوپ نوری از نانوبرگ‌های کاربید سیلیکون تک‌لایه.
https://doi.org/۱۰.۳۳۹۰/nano۱۱۰۷۱۷۹۹
سنتز از پایین به بالا کاربید سیلیکون تک لایه
در فوریه ۲۰۲۳، پژوهشگران دانشگاه لوند، دانشگاه فناوری چالمرز و دانشگاه لینکاپینگ در سوئد مقاله‌ای با دسترسی آزاد منتشر کردند که روش از پایین به بالا برای سنتز کاربید سیلیکون تک لایه را توصیف می‌کند.
فرایند آنها با یک ویفر کاربید سیلیکون به ضخامت ۳۶۰ میکرون آغاز شد، که روی آن فیلمی به ضخامت کمتر از ۳ نانومتر از کاربید تانتالیوم یا کاربید نیوبیوم اسپاتر شد. سپس ویفر پوشش‌دار را به مدت ۱۰ دقیقه در دمای ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد کوره آنیل کردند. در طول فرایند پخت، اتم‌های سیلیکون و کربن از ویفر به سطح سیستم کاربید مهاجرت کردند و دوباره چیدمان یافتند تا یک لایه یکنواخت و پایدار از کاربید سیلیکون شکل بگیرد. این ساختار که با اندازه‌گیری‌های طیفی تأیید شد، در دماهای تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد تحت شرایط خلا پایدار باقی‌ماند.
شکل ۳ (الف) تصویر توپوگرافیک میکروسکوپ تونلی روبشی از کاربید سیلیکون تک لایه روی سطح کاربید تانتالیوم. (ب) تصویر پراش الکترونی با انرژی پایین؛ بردارهای معکوس واحد سلولی ۲.۳۲ Å−۱ نشان داده شده‌اند. (ج) نمایش شماتیک ساختار نمونه. (د) تصویر میکروسکوپ عبوری روبشی میدان- تاریک با زاویه بالا از مقطع عرضی رابط کاربید تانتالیوم/کاربید سیلیکون.
https://doi.org/۱۰.۱۱۰۳/PhysRevLett.۱۳۰.۰۷۶۲۰۳
در حال حاضر، کاربید سیلیکون تک لایه را نمی‌توان از ماده‌ی زیرین خود جدا کرد زیرا با شدت با لایه‌ی کاربید فلزی که روی آن قرار دارد، به شدت واکنش نشان می دهد. پژوهشگران خاطر نشان می‌کنند که آزمایش‌های آینده احتمالاً به بررسی راه‌هایی برای جداسازی کاربید سیلیکون تک لایه از زیرلایه آن خواهند پرداخت.
مقاله مرجع:
The open-access paper, published in Nanomaterials, is “The creation of true two-dimensional silicon carbide” (DOI: ۱۰.۳۳۹۰/nano۱۱۰۷۱۷۹۹).
The open-access paper, published in Physical Review Letters, is “Bottom-up growth of monolayer honeycomb SiC” (DOI: ۱۰.۱۱۰۳/PhysRevLett.۱۳۰.۰۷۶۲۰۳).
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/monolayer-silicon-carbide-achieved-with-both-top-down-and-bottom-up-synthesis-methods/
کلیدواژه ها: تک لایه | سیلیکون | کاربید |