Lo studio identifica una nuova tecnica di sintesi per ottenere SiC a nido d'ape monostrato

Funzionalità del 13 marzo 2023

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Il carburo di silicio (SiC) è un composto cristallino duro di silicio e carbonio che raramente si trova in natura e viene generalmente prodotto sinteticamente. Oltre ad essere utilizzato per creare piastre ceramiche, giubbotti antiproiettile e altri prodotti commerciali, il SiC è un semiconduttore, un materiale che ha una conduttività elettrica moderata, compresa tra quella dei conduttori e degli isolanti.

Fisici e scienziati dei materiali studiano da decenni le proprietà di questo semiconduttore. Come altri materiali, il SiC può esistere in diverse forme fisiche (cioè allotropi) e il suo allotropo 2D è rimasto finora sfuggente e principalmente ipotizzato.

Secondo le previsioni teoriche, l'allotropo 2D di questo semiconduttore avrebbe un ampio intervallo di banda diretto di 2,5 eV e un'elevata versatilità chimica, e sarebbe stabile in condizioni ambientali. Finora, tuttavia, ciò non è stato verificato empiricamente, poiché gli studi esistenti hanno riportato solo nanofiocchi disordinati di SiC 2D.

I ricercatori dell'Università di Lund, della Chalmers University of Technology e dell'Università di Linköping sono stati recentemente in grado di sintetizzare SiC a nido d'ape monostrato epitassiale monocristallino sopra pellicole di carburo di metallo di transizione ultrasottili posizionate su substrati di SiC. Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, introduce una tecnica promettente per la sintesi su vasta area e dal basso verso l'alto dell'elusivo allotropo del SiC.

"I nostri collaboratori sono interessati a studiare film sottili di carburo di metalli di transizione su substrati SiC", ha detto a Phys.org Craig Polley, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Era già noto che il grafene può essere coltivato 'attraverso' strati sovrapposti su SiC, e la speranza era di farlo e creare uno strato di incapsulamento di grafene sopra le pellicole di carburo metallico. Quindi, il punto originale in cui siamo stati coinvolti è stato quello di studiare le proprietà di questo strato di grafene cresciuto."

Inizialmente, Polley e i suoi colleghi stavano quindi cercando di studiare le proprietà di uno strato di incapsulamento di grafene formato su pellicole di carburo metallico. Tuttavia, mentre cercavano di caratterizzare le proprietà di questo strato utilizzando una tecnica nota come ARPES (spettroscopia di fotoemissione risolta ad angolo), hanno osservato spettri molto sorprendenti e affascinanti che non somigliavano a quelli osservati nel grafene.

"Alla fine si è scoperto che non c'era grafene sui campioni", ha detto Polley.

"Ci sono volute molte misurazioni e calcoli prima di poter identificare cosa fosse questa superficie misteriosa, e siamo rimasti piacevolmente sorpresi quando si è scoperto che si trattava di SiC a nido d'ape, dato che non era mai stato nei nostri piani!"

Polley e i suoi colleghi devono ancora comprendere tutti i dettagli del processo che è alla base della crescita di successo del SiC a nido d’ape monostrato. Tuttavia, sono stati in grado di identificare una tecnica che ne consente la sintesi.

Essenzialmente, questa tecnica prevede il posizionamento di una sottile pellicola di carburo di metallo di transizione sopra un substrato di SiC. Quando questo insieme di materiali viene ricotto a temperature sufficientemente elevate, il SiC si decompone, mentre il carburo metallico rimane intatto e gli atomi di Si e C migrano verso la superficie.

"Se si ricotto abbastanza caldo, il Si lascia e il C si ricristallizza in grafene, e questa è una tecnica ben nota per far crescere strati di grafene di alta qualità su SiC semplice", ha spiegato Polley. "Ma nelle giuste condizioni di ricottura, si scopre che Si e C non solo rimangono in superficie, ma si ricristallizzano in SiC a nido d'ape. Fino ad ora non esisteva un metodo noto per creare SiC a nido d'ape monocristallino di ampia area, quindi siamo rimasti sorpresi che questo funziona affatto!"