실리센

3. 그래핀과의 공통점과 차이점

실리콘과 탄소는 주기율표에서 서로 위아래에 위치하며, s² p² 전자 구조를 갖는 유사한 원자이다. 실리센과 그래핀은 공통점과 차이점을 모두 가지고 있는데, 요약하면 다음과 같다.

• 공통점:
• 디랙점 주변에 디랙 원뿔과 선형 전자 분산을 갖는다.
• 양자 스핀 홀 효과를 갖는다.
• 전하를 운반하는 질량이 없는 디랙 페르미온의 특성을 가질 것으로 예상된다. (단, 실리센의 경우 아직 관찰되지 않음)^[18]

• 차이점:
• 실리센은 그래핀과 달리 표면 합금에서 성장하는 경향이 있어, 분리가 더 어렵거나 불가능할 수 있다.^[17]
• 실리센은 찌그러진 육각형 구조를 하고 있어, 밴드갭 조절과 같은 특성에서 차이가 난다. (자세한 내용은 하위 섹션 참조)

3. 1. 구조적 차이

3. 2. 전자 구조적 차이

3. 3. 화학적 성질 차이

• 훨씬 더 강한 스핀-궤도 결합으로, 실험적으로 접근 가능한 온도에서 양자 스핀 홀 효과를 실현할 수 있다.
• 밴드갭의 더 나은 조절성으로, 실온에서 작동하는 전계 효과 트랜지스터(FET)에 필요하다.
• 더 쉬운 밸리 편광과 밸리트로닉스 연구에 더 적합하다.^[20]

4. 표면 합금

Ag(111) 위의 실리센은 Si/Ag(111) 표면 합금 위에 성장하며, 이는 다양한 측정 기술의 조합을 통해 밝혀졌다.^[17] 이 표면 합금은 실리센의 성장보다 먼저 나타나며, 2차원 층의 기반이자 골격 역할을 한다. 실리콘의 도포량을 더 증가시키면 합금은 실리센으로 덮이지만, 모든 도포량에서 광범위하게 존재한다. 이는 층의 특성이 합금에 의해 강하게 영향을 받는다는 것을 의미한다.

5. 띠틈 (Band gap)

실리센은 띠틈 조절이 가능하다는 특징을 가지며, 이는 다양한 응용 분야에 활용될 수 있는 잠재력을 제공한다.^[21] 초기 연구에서는 도펀트를 통해 띠틈을 조절하는 방법이 연구되었다.^[21] 산소 부착 원자를 이용하여 띠틈을 제로 갭 타입에서 반도체 타입으로 조절하는 연구도 진행되었다. 조절 가능한 띠틈을 통해 특정 띠틈이 필요한 응용 분야에 맞게 특정 전자 부품을 맞춤 제작할 수 있다. 띠틈은 0.1 eV까지 낮출 수 있으며, 이는 기존의 전계 효과 트랜지스터(FET)에서 발견되는 띠틈(0.4 eV)보다 상당히 작다.^[21]

실리센 내에 n형 반도체 도핑을 유도하려면 알칼리 금속 도펀트가 필요하다. 양을 변경하면 띠틈이 조절된다. 최대 도핑 시 띠틈이 0.5eV 증가한다. 과도한 도핑으로 인해 공급 전압도 약 30V가 되어야 한다. 알칼리 금속 도핑된 실리센은 n형 반도체만 생성할 수 있다. 현대 전자 제품에는 상보적인 n형 및 p형 반도체 접합이 필요하다. 발광 다이오드(LED)와 같은 장치를 생산하려면 중성 도핑(i형)이 필요하다. LED는 p-i-n 접합을 사용하여 빛을 생성한다. p형 도핑된 실리센을 생성하려면 별도의 도펀트를 도입해야 한다. 이리듐(Ir) 도핑된 실리센은 p형 실리센 생성을 가능하게 한다. 백금(Pt) 도핑을 통해 i형 실리센이 가능하다.^[21] n형, p형 및 i형 도핑된 구조의 조합을 통해 실리센은 전자 분야에서 활용될 기회를 갖는다.

6. 성질

2차원 실리센은 완전히 평평한 구조가 아니며, 고리에서 의자형 휨 변형이 나타나 정렬된 표면 잔물결이 생긴다. 실리센을 실레인으로 수소화하는 것은 발열 반응으로, 이는 수소 저장의 후보가 될 수 있다는 예측으로 이어졌다. 흑연은 분산력으로 약하게 결합된 그래핀 층의 쌓임으로 구성된 반면, 실리센의 층간 결합은 매우 강하다.

실리센의 육각형 구조가 휘는 현상은 유사 야-텔러 변형 (PJT)에 의해 발생한다.^[18] 이는 진동 결합의 강한 비어있는 분자 궤도 함수 (UMO)와 채워진 분자 궤도 함수 (OMO) 때문에 발생한다. 이 궤도 함수들은 에너지 측면에서 실리센의 대칭성이 높은 구성으로 변형을 일으킬 만큼 충분히 가깝다. 리튬 이온을 첨가하여 UMO와 OMO 사이의 에너지 간격을 증가시키면 PJT 변형을 억제하여 휨 구조를 평평하게 만들 수 있다.

실리센은 기존 반도체 기술과의 잠재적 호환성 외에도, 가장자리가 산소 반응성을 나타내지 않는다는 장점이 있다.^[22]

2012년, 여러 연구 그룹에서 Ag(111) 표면에서 정렬된 상을 독립적으로 보고했다.^[23][24][25] 주사 터널링 분광법 측정 결과^[26] 및 각도 분해 광전자 분광법 (ARPES) 결과는 실리센이 그래핀과 유사한 전자적 특성, 즉 브릴루앙 영역의 K점에서 상대론적 디랙 페르미온과 유사한 전자 분산을 가질 것으로 보였지만,^[23] 이 해석은 나중에 논쟁의 대상이 되었고 기질 밴드에서 비롯된 것으로 밝혀졌다.^{[27][28][29][30][31][32][33]} 밴드 펼침 기법을 사용한 ARPES 결과 해석은 관찰된 선형 분산의 기질 기원을 밝혀냈다.^[34]

실리센은 은 외에도 ^[35]과 이리듐 위에서도 성장하는 것으로 보고되었다.^[36] 이론 연구에 따르면 실리센은 꿀벌집 구조의 단일층으로 Al(111) 표면에서 안정적이며 (4x4 Ag(111) 표면에서 관찰된 것과 유사한 결합 에너지) "다각형 실리센"이라고 불리는 새로운 형태도 안정적인데, 그 구조는 3-, 4-, 5- 및 6면 다각형으로 구성된다.^[37]

Ag와 Si 사이의 p-d 혼성화 메커니즘은 거의 평평한 실리콘 클러스터를 안정화하는 데 중요하며, 실리센 성장에 대한 Ag 기질의 효과는 DFT 계산과 분자 역학 시뮬레이션으로 설명된다.^[32][38] Ag(111)에 에피택셜 4 × 4 실리센의 고유한 혼성화된 전자 구조는 실리센 표면의 높은 화학 반응성을 결정하며, 이는 주사 터널링 현미경 및 각도 분해 광전자 분광법으로 밝혀졌다. Si와 Ag 간의 혼성화는 금속 표면 상태를 초래하며, 이는 산소 흡착으로 인해 점차적으로 감소할 수 있다. X선 광전자 분광법은 산소 처리 후 Si-Ag 결합의 분리뿐만 아니라 4 × 4 실리센 [Ag(111)에 관하여]과 비교하여 Ag(111) 표면의 상대적인 산소 저항성을 확인한다.^[32]

6. 1. 기능화된 실리센 (Functionalized silicene)

7. 실리센 트랜지스터

실리센은 높은 전자 이동도와 밴드갭 조절 가능성을 바탕으로 차세대 트랜지스터 소재로 주목받고 있다. 그래핀은 높은 전자 이동도를 가지지만 밴드갭이 없어 트랜지스터로 사용하기 어렵다. 실리센은 자연 상태에서 제로 밴드갭을 가지지만, 밴드갭을 형성하는 기술이 개발되면서 트랜지스터 활용 가능성이 열렸다.^[41] 기판이 실리센에 미치는 영향은 결정립계의 산란과 음향 포논의 제한된 수송,^[42] 실리센과 기판 사이의 대칭 파괴 및 혼성화 효과로 설명된다.^[43] 음향 포논은 격자 구조에서 두 개 이상의 유형의 원자가 평형 위치에서 동기적으로 움직이는 것을 말한다.

7. 1. 개발 현황

7. 2. 성능 및 전망

8. 실리센 나노시트

2차원 실리센 나노시트는 고전압 대칭 슈퍼커패시터의 매력적인 전극 재료로 사용된다.^[44]

참조

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_[2] 논문 Theoretical possibility of stage corrugation in Si and Ge analogs of graphite
_[3] 논문 Electronic structure of silicon-based nanostructures
_[4] 논문 Two- and One-Dimensional Honeycomb Structures of Silicon and Germanium
_[5] 논문 Graphene-like silicon nanoribbons on Ag(110): A possible formation of silicene https://stars.librar[...]
_[6] 논문 Epitaxial growth of a silicene sheet
_[7] 논문 Epitaxial silicene: can it be strongly strained? 2012-01-01
_[8] 논문 Growth of Si ultrathin films on silver surfaces: Evidence of an Ag(110) reconstruction induced by Si https://hal.archives[...]
_[9] 논문 Systematic STM and LEED investigation of the Si/Ag(110) surface
_[10] 논문 Local Reconstructions of Silicene Induced by Adatoms 2013-12-02
_[11] 논문 Silicite: The layered allotrope of silicon 2014-08-22
_[12] 논문 Atomic structure of the 3×3 phase of silicene on Ag(111) 2014-07-28
_[13] 논문 Silicene field-effect transistors operating at room temperature
_[14] 뉴스 Graphene’s cousin silicene makes transistor debut http://www.nature.co[...] Nature News & Comment 2015-02-02
_[15] 뉴스 Researchers Have Made Computer-Chip Transistors Just One Atom Thick https://time.com/369[...] TIME.com 2015-02-05
_[16] 뉴스 Two-Dimensional Silicon Makes Its Device Debut http://cen.acs.org/a[...] acs.org 2015-02-05
_[17] 논문 Silicene's pervasive surface alloy on Ag(111): a scaffold for two-dimensional growth
_[18] 논문 Structures and Chemical Properties of Silicene: Unlike Graphene
_[19] 논문 Tuning the Band Gap in Silicene by Oxidation
_[20] 논문 Rise of silicene: A competitive 2D material
_[21] 논문 Tunable band gap and doping type in silicene by surface adsorption: Towards tunneling transistors
_[22] 논문 Burning Match Oxidation Process of Silicon Nanowires Screened at the Atomic Scale https://www.research[...]
_[23] 논문 Silicene: Compelling Experimental Evidence for Graphenelike Two-Dimensional Silicon http://nanotheoryou.[...]
_[24] 논문 Structure of Silicene Grown on Ag(111)
_[25] 논문 Evidence of Silicene in Honeycomb Structures of Silicon on Ag(111)
_[26] 논문 Evidence for Dirac Fermions in a Honeycomb Lattice Based on Silicon http://surface.iphy.[...]
_[27] 논문 Absence of Dirac Electrons in Silicene on Ag(111) Surfaces
_[28] 논문 Absence of a Dirac cone in silicene on Ag(111): First-principles density functional calculations with a modified effective band structure technique 2013-06-24
_[29] 논문 Comment on "Evidence for Dirac Fermions in a Honeycomb Lattice Based on Silicon"
_[30] 논문 Substrate-Induced Symmetry Breaking in Silicene
_[31] 논문 Origin of Dirac-cone-like features in silicon structures on Ag(111) and Ag(110)
_[32] 논문 Effects of oxygen adsorption on the surface state of epitaxial silicene on Ag(111) Nature Publishing Group
_[33] 논문 Silicene on Ag(111): A honeycomb lattice without Dirac bands 2014-05-30
_[34] 논문 Revealing the Substrate Origin of the Linear Dispersion of Silicene/Ag(111) 2014-08-12
_[35] 논문 Experimental Evidence for Epitaxial Silicene on Diboride Thin Films
_[36] 논문 Buckled Silicene Formation on Ir(111)
_[37] 논문 A New Surface and Structure for Silicene: Polygonal Silicene Formation on the Al(111) Surface
_[38] 논문 Initial geometries, interaction mechanism and high stability of silicene on Ag(111) surface
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_[45] 논문 Group IV Graphene- and Graphane-Like Nanosheets 2011
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