Структурные и электронные свойства гетероструктуры графен/силицен

В последнее время очень популярным стало расширение областей применения двумерных (2D) материалов за счет создания ван-дер-ваальсовых гетероструктур на основе графена. Обычно графен получают осаждением графена на кремниевую подложку, которое облегчает создание гетероструктуры графен/силицен. Создание таких гетероструктур представляет огромные перспективы развития для широкого спектра приложений, связанных прежде всего с пересмотром физических принципов построения и работы приборных структур с использованием графена в сочетании с другими материалами. Таким материалом может быть силицен. Между атомными плоскостями графена и силицена действуют слабые ван-дер-ваальсовские силы, что позволяет предположить, что силицен и графен могут использоваться в качестве идеальных подложек друг для друга с сохранением их внутренней электронной структуры. В этой работе проведено ab initio исследование структурных и электронных свойств вертикальной гетероструктуры графен/силицен в зависимости от расстояния между атомными плоскостями графена и силицена. Установлено, что при изменении расстояния между атомными плоскостями, содержащими атомы углерода и силицена, кристаллическая структура системы графен/силицен существенно не меняется. Запрещенные зоны, которые открываются в точках Дирака силицена и графена, сильно зависят от внешних условий, таких как электрические поля и межслойное расстояние. Это указывает на то, что гетероструктура графен/силицен может быть использована для производства высокопроизводительных полевых транзисторов и для создания электродов для литий-ионных батарей высокой емкости.

1. Evidence of silicene in honeycomb structures of silicon on Ag(111) / B. Feng, Z. Ding, S. Meng, Y. et. al. // Nano Lett. – 2012. – V. 12. – P. 3507-3511. DOI: 10.1021/nl301047g.

2. Silicene: compelling experimental evidence for graphene like two dimensional silicon / P. Vogt, P. De Padova, C. Quaresima, et. al. // Phys. Rev. Lett. – 2012. – V. 108. – P. 155501. DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.155501.

3. Muksunov, N. Y. Electronic properties of hybrid graphene/silicene nanocomposite / N. Y. Muksunov, E. P. Sharin //AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing LLC, 2022. – 2528. – №. 1. – P. 020041.

4. Two- and one-dimensional honeycomb structures of silicon and germanium / S. Cahangirov, M. Topsakal, E. Akturk et. al. // Phys. Rev. Lett. – 2009. – V. 102. – P. 236804. DOI:10.1103/PhysRevLett.102.236804.

5. Ezawa, M. Valley-polarized metals and quantum anomalous hall effect in silicene / M. Ezawa // Phys. Rev. Lett. – 2012. – V. 109. – P. 055502. DOI:10.1103/PhysRevLett.109.055502.

6. Liu, C.-C. Quantum spin hall effect in silicene and two-dimensional germanium / C.-C. Liu, W. Feng, Y. Yao // Phys. Rev. Lett. – 2011. – V. 107. – P. 076802. DOI:10.1103/PhysRevLett.107.076802.

7. Silicene on zirconium carbide (111) / T. Aizawa, S. Suehara, S. Otani //The Journal of Physical Chemistry C. – 2014. – Vol. 118, no. 40. – P. 23049-23057.

8. Buckled silicene formation on Ir (111) / L. Meng, Y. Wang, L. Zhang, et. al. // Nano letters. 2013. – Vol. 13, no. 2. – P. 685-690.

9. Experimental evidence for epitaxial silicene on diboride thin films / A. Fleurence, R. Friedlein, et. al. // Physical review letters. – 2012. – Vol. 108, no. 24. – P. 245501.

10. Silicene: compelling experimental evidence for graphenelike two-dimensional silicon / P. Vogt, P. De Padova, C. Quaresima, et. al. // Physical review letters. – 2012. – Vol. 108, no. 15. – P. 155501.

11. Two‐Dimensional Si Nanosheets with Local Hexagonal 104 Structure on a MoS2 Surface / D. Chiappe, E. Scalise, E. Cinquanta, et. al. // Advanced Materials. – 2014. – Vol. 26, no. 13. – P. 2096-2101.

12. Silicene field-effect transistors operating at room temperature / Tao L. et. al. //Nature nanotechnology. – 2015. – Vol. 10. – №. 3. – P. 227-231.

13. Галашев, А. Е. Применение дефектного силицена и графена для анода литий-ионных батарей: компьютерный эксперимент / А. Е. Галашев, О. Р. Рахманова, Ю. П. Зайков // Физика твердого тела. – 2016, том 58, вып. 9. – С. 1786‒1793.

14. Neek-Amal, M. Realization of Free-Standing Silicene Using Bilayer Graphene / M. Neek-Amal, A. Sadeghi, G.R. Berdiyorov et. al. //Appl. Phys. Lett. – 2013. – Vol. 103. – P. 261904. DOI: 10.1063/1.4852636.

15. Sharin, E. P. Electronic properties of boron doped single-layer graphene / E. P. Sharin, R. S. Tikhonov //AIP Conference Proceedings. – 2018. – 2041. – P. 020020–1–4. https://doi.org/10.1063/1.5079351

16. Sharin, E. P. Effect of doping on the electronic properties of graphene / E. P. Sharin, K. V. Evseev // Magnetic resonance in solids. – 2019. – 21. – P. 1–7.

17. Spencer, M. Silicene: Structure, Properties and Applications / M. Spencer, T. Morishita. – Springer. – 2016. – 283 p.

18. Hu, W. Structural, Electronic, and Optical Properties of Hybrid Silicene and Graphene Nanocomposite / W. Hu, Z. Li, J.J. Yang // Chem. Phys. – 2013. – V. 139. – P. 154704. DOI: 10.1063/1.4824887.

19. URL: https://jp-minerals.org/vesta/en/

20. Qin, R. First-principles calculations of mechanical and electronic properties of silicene under strain / R. Qin, C.-H. Wang, W. Zhu, et. al. // AIP Adv. – 2012. – Vol. 2. – P. 022159. DOI: 10.1063/1.4732134.