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May 20, 2023

Un estudio identifica una nueva técnica de síntesis para obtener SiC en panal monocapa

Característica del 13 de marzo de 2023

Característica del 13 de marzo de 2023

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto cristalino duro de silicio y carbono que rara vez se encuentra en la naturaleza y generalmente se produce sintéticamente. Además de usarse para crear placas de cerámica, chalecos antibalas y otros productos comerciales, el SiC es un semiconductor, un material que tiene una conductividad eléctrica moderada, que oscila entre la de los conductores y los aislantes.

Los físicos y científicos de materiales han estado investigando las propiedades de este semiconductor durante décadas. Al igual que otros materiales, el SiC puede existir en diferentes formas físicas (es decir, alótropos), y hasta ahora su alótropo 2D ha permanecido esquivo y principalmente planteado como hipótesis.

Según las predicciones teóricas, el alótropo 2D de este semiconductor tendría una gran banda prohibida directa de 2,5 eV y una gran versatilidad química, y sería estable en condiciones ambientales. Sin embargo, hasta ahora, esto no se ha verificado empíricamente, ya que los estudios existentes solo informaron nanoflakes desordenados de 2D SiC.

Recientemente, investigadores de la Universidad de Lund, la Universidad Tecnológica de Chalmers y la Universidad de Linköping pudieron sintetizar SiC en forma de panal monocapa epitaxial monocristalino sobre películas ultrafinas de carburo de metal de transición colocadas sobre sustratos de SiC. Su artículo, publicado en Physical Review Letters, presenta una técnica prometedora para la síntesis ascendente y de gran superficie del escurridizo alótropo de SiC.

"Nuestros colaboradores están interesados ​​en estudiar películas delgadas de carburo de metal de transición en sustratos de SiC", dijo a Phys.org Craig Polley, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Ya se sabía que el grafeno se puede cultivar 'a través de' capas superpuestas en SiC, y la esperanza era hacer esto y crear una capa de encapsulación de grafeno sobre las películas de carburo metálico. Por lo tanto, el punto original en el que nos involucramos fue estudiar las propiedades de esta capa de grafeno cultivada".

Inicialmente, Polley y sus colegas estaban tratando de investigar las propiedades de una capa de encapsulación de grafeno formada sobre películas de carburo metálico. Sin embargo, al tratar de caracterizar las propiedades de esta capa utilizando una técnica conocida como ARPES (espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo), observaron espectros muy llamativos y fascinantes que no se parecían a los observados en el grafeno.

"Finalmente resultó que no había grafeno en las muestras", dijo Polley.

"Se necesitaron muchas medidas y cálculos antes de que pudiéramos identificar qué era esta superficie misteriosa, y nos sorprendió gratamente cuando resultó ser SiC de nido de abeja, ¡ya que ese nunca fue nuestro plan!"

Polley y sus colegas aún tienen que entender todos los detalles del proceso que sustenta el crecimiento exitoso de SiC de nido de abeja monocapa. No obstante, lograron identificar una técnica que permite su síntesis.

Esencialmente, esta técnica consiste en colocar una película delgada de carburo de metal de transición sobre un sustrato de SiC. Cuando esta pila de material se recoce a temperaturas lo suficientemente altas, el SiC se descompone, mientras que el carburo metálico permanece intacto y los átomos de Si y C migran a la superficie.

"Si se recoce lo suficientemente caliente, las hojas de Si y el C se recristalizan en grafeno, y esta es una técnica bien conocida para hacer crecer capas de grafeno de alta calidad en SiC simple", explicó Polley. "Pero para las condiciones de recocido correctas, resulta que el Si y el C no solo permanecen en la superficie sino que se recristalizan en SiC de panal. Hasta ahora no había ningún método conocido para crear SiC de panal de un solo cristal de gran área, por lo que nos sorprendió que funciona en absoluto!"

Los investigadores también realizaron más análisis para verificar que la superficie única que observaron era, de hecho, la fase 2D de SiC. Una vez que lo confirmaron, estudiaron sus características, para validar las predicciones teóricas anteriores. Curiosamente, descubrieron que en esta fase 2D, el SiC era casi plano y estable a altas temperaturas (hasta 1200 °C en el vacío).

"Las principales contribuciones aquí son el descubrimiento de una nueva técnica de síntesis y el profundo trabajo de detective que se llevó a cabo para identificar de manera concluyente esta superficie misteriosa como SiC de panal", dijo Polley.

Este estudio reciente de Polley y sus colegas es simplemente un primer paso en la investigación experimental del alótropo 2D de SiC, ya que se requerirá trabajo adicional para aislar efectivamente la capa que observaron de su sustrato subyacente. No obstante, la técnica de síntesis que descubrieron es un hito notable que allana el camino hacia este objetivo.

"Una de las cosas que nos interesa aprender más es si hay algo que se pueda hacer para desacoplarlo del sustrato, por ejemplo, tratando de intercalar algunas otras especies como el hidrógeno entre el SiC y el TaC", añadió Polley. "Ese truco funciona con grafeno en SiC, pero este es ahora un material nuevo y un territorio inexplorado".

Más información: CM Polley et al, Crecimiento de abajo hacia arriba de SiC de nido de abeja monocapa, Cartas de revisión física (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.076203

Información del diario:Cartas de revisión física

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