Synteza nadprzewodzącego silicenu

Krzem ciągle jest podstawą obecnego przemysłu półprzewodników. Rodzi się zatem pytanie, czy ten „tradycyjny” materiał można łatwo przekształcić w coś nowego, co będzie kompatybilne z obecną technologią półprzewodników i da się wykorzystać w nanoelektronice następnej generacji? Odpowiedzią tutaj wydaje się być silicen [1]. Ten dwuwymiarowy materiał zbudowany z atomów krzemu ułożonych w sieć krystalograficzną typu plastra miodu, zaczyna przyciągać coraz więcej uwagi. Podobnie jak jego poprzednik, grafen,  charakteryzuje się pasmami o liniowej dyspersji, które tworzą stożki Diraca, nadając mu nowych właściwości.

Zasadniczą różnicą pomiędzy grafenem a silicenem, jest to, że ten drugi nie występuje w postaci swobodnej, pojedynczej warstwy. Wytwarzanie silicenu jest procesem, który wymaga kontroli wielu czynników takich jak temperatura próbki czy szybkość osadzania atomów Si. Wszystkie te czynniki muszą zostać dostrojone i zoptymalizowane odpowiednio do zastosowanego podłoża. Do chwili obecnej udało się zsyntetyzować silicen w formie epitaksjalnej [2,3] i w procesie segregacji atomów [4] na powierzchni niektórych metali. Obecność metalicznego podłoża oraz oddziaływania z nim może jednak znacznie zmodyfikować zarówno strukturę elektronową silicenu jak i użytego materiału. Jeśli materiał podłoża zastąpimy nadprzewodnikiem, to dzięki zjawisku bliskości będzie możliwe tworzenie układów, w których styka się fizyka relatywistyczna z kwazicząstkami Diraca i nadprzewodnictwo z parami Coopera. 

Kandydatem na takie podłoże jest Pb(111). Po pierwsze istnieją prace teoretyczne, które pokazują, że silicen tworzy stabilne rekonstrukcje na jego powierzchni zachowując przy tym swoją liniowa zależność dyspersyjną [5]. Ołów jest materiałem charakteryzującym się dużą mobilnością atomów, zwłaszcza w temperaturach wyższych niż pokojowa, przez co wydaje się, że jest trudno znaleźć parametry, w którym atomy Pb nie przykrywały atomów Si. Jednak badania eksperymentalne na heterostrukturze Pb/Au/Si(111) [6] 
pozwalają sądzić, że wytworzenie warstwy silicenu na litym krysztale Pb(111) wydaje się bardzo prawdopodobne. Drugim argumentem jest fakt, że Pb jest nadprzewodnikiem z dosyć wysoką temperaturą krytyczną równą 7.2 K, którą udaje się osiągnąć za pomocą ciekłego He. Celem projektu jest przede wszystkim opracowanie technologii wytwarzania warstw silicenu na powierzchni Pb(111), która może być procesem dość skomplikowanym. Jak wiadomo, silicen np. na powierzchni Ag(111) powstaje w bardzo wąskim zakresie temperatur i pokryć Si. Następnym krokiem jest charakteryzacja jego struktury atomowej za pomocą niskotemperaturowego skaningowego mikroskopu tunelowego LT-STM (Scienta-Omicron). Mikroskop pracuje w temperaturze 4.5 K, co oprócz stabilności pracy, daje możliwość pomiaru powierzchni metali charakteryzujących się dużą gęstością elektronową oraz badań struktury elektronowej w zakresie energii odpowiadających przerwie energetycznej w nadprzewodniku, co może zostać wykorzystane w późniejszych badaniach. Wszystkie badania zostaną przeprowadzone w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej.

[1] K. Takeda, K. Shiraishi, Physical Review B 50, 14916 (1994)
[2] P. Vogt, P. De Padova, C. Quaresima, J.Avila, E.Frantzeskakis, M. Asensio, A. Resta, B. Ealet, G. Le Lay, Physical Review Letters 108, 1555501 (2012).
[3] Baojie Feng, Zijing Ding, Sheng Meng, Yugui Yao, Xiaoyue He, Peng Cheng, Lan Chen, Kehui Wu, NanoLett. 12, 3507−3511 (2012)
[4] A. Stępniak-Dybala, P. Dyniec, M. Kopciuszyski, R. Zdyb, M. Jałochowski, M. Krawiec, Adv. Fun. Mat. 29, 50 (2019)
[5] A. Podsiadły-Paszkowska, M. Krawiec, Phys. Chem. Chem. Phys.17, 2246 (2015)
[6] A. Stȩpniak-Dybala, M. Krawiec, The Journal of Physical Chemistry C 123 (27), 17019 (2019)