Tracciare l'evoluzione strutturale dei quasi

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7559 (2022) Citare questo articolo

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Nell’ultimo decennio, la ricerca sui materiali 2D si è espansa enormemente grazie alla popolarità del grafene. Sebbene l’ingegneria chimica dei materiali elementari bidimensionali e delle eterostrutture sia stata ampiamente perseguita, la comprensione fondamentale della sintesi dei materiali 2D non è ancora completa. I parametri strutturali, come l'instabilità o la struttura dell'interfaccia di un materiale 2D con il substrato, influenzano direttamente le sue caratteristiche elettroniche. Al fine di procedere alla comprensione della crescita elemento-specifica e della capacità associata di regolare le proprietà dei materiali bidimensionali, abbiamo eseguito uno studio sull'evoluzione strutturale del promettente materiale germanene 2D su Ag (111). Questo studio fornisce un'indagine sulle formazioni di germanio a diversi spessori di strato fino alla formazione del germanene quasi indipendente. Utilizzando potenti strumenti di analisi della superficie come la diffrazione di elettroni a bassa energia, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X e la diffrazione fotoelettronica a raggi X con radiazione di sincrotrone, riveleremo la struttura interna e interfacciale di tutte le fasi di germanio scoperte. Inoltre, presenteremo modelli della struttura atomica e chimica di una lega superficiale \(\hbox {Ag}_2\hbox {Ge}\) e del germanene quasi-indipendente con particolare attenzione ai parametri strutturali e all'interazione elettronica all'interfaccia .

Il germanene, la controparte bidimensionale del germanio, ha attirato l'attenzione di tutto il mondo nel corso della prima sintesi e analisi del grafene. Ha dato il via a una nuova generazione di ingegneria chimica dei materiali 2D, divenuti famosi per le loro eccezionali proprietà elettroniche, come ad esempio le loro dispersioni lineari simili a quelle di Dirac e le straordinarie mobilità elevate dei portatori di carica1,2. Passando a materiali semiconduttori bidimensionali con numero atomico crescente, come silicene, germanene, stanene, ecc., si apre inoltre l'opportunità di sfruttare isolanti topologici ed effetti di spin, aprendo la strada alla nanoelettronica ad alta velocità3,4. Per quanto riguarda le tecnologie informatiche di prossima generazione, è inevitabile prendere in considerazione nuovi materiali per la fabbricazione di transistor ad effetto di campo (FET) con dimensioni inferiori a \({5}\,\hbox {nm}\)5. Oltre alla moltitudine di applicazioni basate sul grafene6, recentemente sono stati realizzati anche transistor a base di silicene e germanene dalle prestazioni sorprendenti7,8. Di fronte alle sfide legate alla produzione di materiali 2D promettenti, è necessario migliorare la comprensione della sintesi e della formazione strutturale di questi materiali.

I calcoli del primo principio hanno determinato una fase stabile e bidimensionale del germanio9, disposta in una struttura a nido d'ape a bassa instabilità con proprietà elettroniche promettenti10. I portatori di carica nel germanene si comportano come fermioni di Dirac privi di massa, la cui mobilità può essere un fattore 2 maggiore rispetto al grafene simile al metallo10,11. D'altra parte, il forte accoppiamento spin-orbita del germanene apre un gap di banda che può essere ulteriormente sintonizzato da un campo elettrico esterno10,12. Un modo per controllare le proprietà elettroniche del germanene per le applicazioni è quello di prendere in considerazione un parametro chiave strutturale, l'instabilità. Questa ondulazione del reticolo a nido d'ape è stata calcolata come \(\delta ={0,69}\) Å per il germanene13 indipendente, poiché la sua dimensione è direttamente correlata alla quota di \(sp^2\)- e \(sp^3\ )-legami ibridati14. Mentre un'elevata instabilità determina un ampio gap di banda nella struttura delle bande dei germaneni15, anche il germanene a basso instabilità è di grande interesse, poiché il gap di banda è ancora maggiore di quello del silicene e l'effetto Hall di spin quantistico (QSHE) può essere realizzato16. Inoltre, l'entità dell'instabilità nel germanene dipende fortemente dal substrato portante in crescita17. L'Ag(111) si è rivelato un candidato promettente per la sintesi del germanene indipendente considerando le previsioni incoraggianti dei coni di Dirac nel germanene sull'argento18, nonché l'interazione moderata e lo scarso trasferimento di carica all'interfaccia rispetto ad altri substrati19,20,21. Ma anche le fasi della lega di germanio su Ag(111) presentano firme di Dirac nella loro struttura elettronica22.