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

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 utilizarse para crear placas cerámicas, 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 la de los aislantes.

Los físicos y los científicos de materiales llevan décadas investigando las propiedades de este semiconductor. Al igual que otros materiales, el SiC puede existir en diferentes formas físicas (es decir, alótropos), y su alótropo 2D hasta ahora ha sido 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 alta 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 nanoescamas desordenadas de SiC 2D.

Investigadores de la Universidad de Lund, la Universidad Tecnológica de Chalmers y la Universidad de Linköping pudieron sintetizar recientemente SiC monocapa epitaxial monocristalino en forma de panal sobre películas ultrafinas de carburo de metales 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 área del esquivo alótropo de SiC.

"Nuestros colaboradores están interesados ​​en estudiar películas delgadas de carburo de metales de transición sobre 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 de 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 crecida".

Inicialmente, Polley y sus colegas intentaban investigar las propiedades de una capa de encapsulación de grafeno formada sobre películas de carburo metálico. Sin embargo, al intentar caracterizar las propiedades de esta capa mediante una técnica conocida como ARPES (espectroscopia de fotoemisión con resolución de 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.

"Fueron necesarias muchas mediciones y cálculos antes de que pudiéramos identificar qué era esta misteriosa superficie, y nos sorprendió gratamente cuando resultó ser SiC en forma de panal, ¡ya que ese nunca fue nuestro plan!"

Polley y sus colegas aún deben comprender todos los detalles del proceso que sustenta el crecimiento exitoso del SiC monocapa en forma de panal. No obstante, pudieron identificar una técnica que permite su síntesis.

Básicamente, esta técnica implica colocar una fina película de carburo de metal de transición sobre un sustrato de SiC. Cuando esta pila de material se recoce a temperaturas 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, el Si se va y el C se recristaliza en grafeno, y esta es una técnica bien conocida para cultivar capas de grafeno de alta calidad sobre SiC simple", explicó Polley. "Pero para las condiciones de recocido adecuadas, resulta que el Si y el C no sólo permanecen en la superficie sino que se recristalizan en SiC alveolar. Hasta ahora no se conocía ningún método para crear SiC alveolar monocristalino de gran superficie, por lo que nos sorprendió que ¡Funciona en absoluto!"

Los investigadores también realizaron más análisis para verificar que la superficie única que observaron era en realidad la fase 2D de SiC. Una vez confirmado esto, estudiaron sus características, para validar predicciones teóricas previas. 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 en forma de panal", dijo Polley.

Este reciente estudio realizado por Polley y sus colegas es simplemente un primer paso en la investigación experimental del alótropo 2D de SiC, ya que será necesario trabajo adicional para aislar eficazmente 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 sobre las que estamos interesados ​​en 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 sobre SiC, pero ahora se trata de un material nuevo y un territorio inexplorado".

Más información: CM Polley et al, Crecimiento ascendente de SiC monocapa en forma de panal, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.076203

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