Создание сверхрешетки из атомов кремния на поверхности тонкой пленки полимера

В области науки и нанотехнологий исследователи постоянно стремятся раздвинуть границы проектирования и изготовления материалов. Одной из увлекательных областей исследований является разработка кремниевых сверхрешеток, представляющих собой инженерные структуры, состоящие из чередующихся слоев кремния и других материалов. Слои обычно имеют толщину всего несколько нанометров, а их точное расположение и состав можно подобрать с большой точностью. Управляя толщиной слоя, выбором материала и ориентацией кристалла, исследователи могут создавать уникальные электронные, оптические и структурные свойства полученной сверхрешетки. Эти наноструктуры обладают уникальными свойствами и обладают огромным потенциалом для широкого спектра приложений, от электроники и фотоники до хранения энергии и квантовых вычислений.

Одно из наиболее значительных преимуществ кремниевых сверхрешеток заключается в их перестраиваемых электронных свойствах. Тщательно выбирая толщину и состав каждого слоя, исследователи могут создавать запрещенную зону и энергетические уровни, которые отличаются от таковых у объемного кремния. Эта возможность проектировать структуру электронной полосы открывает возможности для новых функциональных возможностей устройств, таких как высокопроизводительные транзисторы, светоизлучающие диоды и фотодетекторы. Кремниевые сверхрешетки также предлагают потенциал для применения в квантовых вычислениях, где решающее значение имеет точное управление уровнями энергии и поведением электронов.

Кремний, традиционно известный своими плохими оптическими свойствами в диапазоне видимого света, может быть преобразован в эффективный оптоэлектронный материал за счет внедрения сверхрешеток. Благодаря включению слоев различных материалов с дополнительными оптическими свойствами, таких как оксид кремния или нитрид кремния, полученная сверхрешетка демонстрирует улучшенные характеристики поглощения, излучения и пропускания света. Это делает кремниевые сверхрешетки многообещающими кандидатами для разработки передовых фотонных устройств, включая лазеры, волноводы и солнечные элементы.

Кремниевые сверхрешетки также обладают улучшенными механическими и термическими свойствами по сравнению с объемным кремнием. Введение альтернативных материалов в структуру сверхрешетки может изменить ее механическое поведение, обеспечивая повышенную прочность, гибкость и устойчивость к растрескиванию. Более того, межфазные эффекты между слоями могут эффективно рассеивать фононы, что приводит к снижению теплопроводности. Это свойство можно использовать для термоэлектрических применений, где требуется эффективное преобразование тепла в электричество.

Уникальные свойства кремниевых сверхрешеток открывают потенциал для приложений по хранению энергии. Включая материалы с высокой подвижностью ионов лития, такие как оксид кремния или соединения лития, в структуру сверхрешетки, исследователи могут повысить производительность и емкость литий-ионных аккумуляторов. Кремниевые сверхрешетки также могут найти применение в катализе, датчиках и восстановлении окружающей среды благодаря их особым свойствам и большой площади поверхности [1-3].

Построение сверхрешетки из атомов кремния проходило на монослое пиролизованного полиакрилонитрила [4-5]. Для создания сверхрешетки из атомов кремния на поверхности тонкой пленки полимера необходимо рассмотреть адсорбцию группы строго расположенных (упорядоченных) над поверхностью атомов, которая будет представлять из себя решетку с заданным периодом. Этот процесс можно назвать регулярной адсорбцией.

Было предложено несколько вариантов модифицирования:

• 1)    Над атомами углерода, находящимися в узлах гексагонов («прямоугольная» сверхрешетка).

• 2)    Над атомами углерода, находящимися в узлах гексагонов («ромбическая вариант 1» сверхрешетка).

• 3)    Над фиктивными атомами, находящимися в центре гексагонов («ромбическая вариант 2» сверхрешетка) (рис. 1).

  

  Рис. 1. Сверхрешетка из атомов кремния на поверхностиполимера: а) «Прямоугольная» сверхрешетка; б) «Ромбическая» сверхрешетка вариант 1; в) «Ромбическая» сверхрешетка вариант 2.

  
  

Расчеты были проведены с полной оптимизацией геометрии, в результате были получены геометрические структуры ППАН со всеми видами сверхрешетки из атомов кремния. Выполненные расчеты позволили установить стабильность полученных структур, рассчитать ширину запрещенной зоны различных конфигураций сверхрешетки (рис. 2).

дЕ^ =6.19eV       Д^ =5.9eV

Д Е_д =6eV          д Е_д =5.7eV

12   3  4

Рис. 2. Одноэлектронные энергетические спектры: 1 «прямоугольная» сверхрешетка;

«ромбическая» сверхрешетка вариант 1; «ромбическая» сверхрешетка вариант 2

Как видно, значение ширины запрещенной зоны увеличивается при наличии атомов кремния над поверхностью ППАН. Также этот параметр зависит и от способа расположения атомов кремния на поверхностью полимера.

Кремниевые сверхрешетки обладают индивидуальными электронными, оптическими, механическими и тепловыми свойствами. Благодаря их развитию и приме- нению они занимают лидирующую позицию в развитии передовых технологий, прокладывая путь в будущее, где первостепенное значение имеет точный контроль над свойствами материалов. С помощью квантово-химических расчетов показана возможность построить сверхрешетку из кремния на полимерной матрице.