Retracer l'évolution structurelle du quasi

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 7559 (2022) Citer cet article

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Au cours de la dernière décennie, la recherche sur les matériaux 2D s’est considérablement développée en raison de la popularité du graphène. Bien que l’ingénierie chimique des matériaux élémentaires bidimensionnels ainsi que des hétérostructures ait été largement étudiée, la compréhension fondamentale de la synthèse des matériaux 2D n’est pas encore complète. Les paramètres structurels, tels que le flambement ou la structure d'interface d'un matériau 2D avec le substrat, affectent directement ses caractéristiques électroniques. Afin de poursuivre la compréhension de la croissance spécifique d'un élément et de la capacité associée à ajuster les propriétés des matériaux bidimensionnels, nous avons réalisé une étude sur l'évolution structurelle du matériau 2D prometteur germanène sur Ag (111). Cette étude fournit une étude des formations de germanium à différentes épaisseurs de couche jusqu'à l'apparition du germanène quasi-autoportant. À l’aide de puissants outils d’analyse de surface tels que la diffraction électronique à basse énergie, la spectroscopie photoélectronique des rayons X et la diffraction photoélectronique des rayons X avec rayonnement synchrotron, nous révélerons la structure interne et interfaciale de toutes les phases découvertes du germanium. De plus, nous présenterons des modèles de la structure atomique et chimique d'un alliage de surface \(\hbox {Ag}_2\hbox {Ge}\) et du germanène quasi-autoportant avec un accent particulier sur les paramètres structurels et l'interaction électronique à l'interface. .

Le germanène, la contrepartie bidimensionnelle du germanium, a attiré l'attention du monde entier au cours de la première synthèse et analyse du graphène. Cela a donné le feu vert à une nouvelle génération d’ingénierie chimique de matériaux 2D, devenus célèbres pour leurs propriétés électroniques exceptionnelles, comme par exemple leurs dispersions linéaires de type Dirac et leurs mobilités extraordinaires de porteurs de charge élevées1,2. En se tournant vers des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels avec un numéro atomique croissant, comme le silicène, le germanène, le stanène, etc., cela ouvre en outre la possibilité de tirer parti des isolants topologiques et des effets de spin, ouvrant la voie à la nanoélectronique à grande vitesse. Concernant les technologies informatiques de nouvelle génération, il est inévitable d’envisager de nouveaux matériaux pour la fabrication de transistors à effet de champ (FET) avec des tailles de caractéristiques inférieures à \({5}\,\hbox {nm}\)5. Outre la multitude d’applications basées sur le graphène6, des transistors à base de silice et de germanène aux performances étonnantes ont récemment été réalisés7,8. Face aux défis liés à la mise en fabrication de matériaux 2D prometteurs, il est nécessaire d’améliorer la compréhension de la synthèse et de la formation structurelle de ces matériaux.

Les calculs du premier principe ont déterminé une phase stable et bidimensionnelle du germanium9, disposée dans une structure en nid d'abeilles à faible déformation dotée de propriétés électroniques prometteuses10. Les porteurs de charge du germanène se comportent comme des fermions de Dirac sans masse, dont la mobilité peut être un facteur 2 supérieure à celle du graphène de type métallique . D'autre part, le fort couplage spin-orbite du germanène ouvre une bande interdite qui peut en outre être ajustée par un champ électrique externe . Une façon de contrôler les propriétés électroniques du germanène pour des applications consiste à s’emparer d’un paramètre structurel clé, le flambement. Cette ondulation du réseau en nid d'abeille a été calculée comme étant \(\delta ={0,69}\) Å pour le germanène autoportant13, puisque sa taille est directement corrélée à la part de \(sp^2\)- et \(sp^3\ )-obligations hybrides14. Alors qu'un flambage élevé entraîne une grande bande interdite dans la structure de bande des germanènes15, le germanène à faible flambage présente également un grand intérêt, car la bande interdite est encore plus grande que celle du silicène et l'effet Hall de spin quantique (QSHE) peut être réalisé16. De plus, l’ampleur du flambage dans le germanène dépend fortement du substrat porteur en croissance . Ag (111) s'est avéré être un candidat prometteur pour la synthèse du germanène autonome en considérant les prédictions encourageantes des cônes de Dirac dans le germanène sur l'argent18, ainsi qu'une interaction modérée et un faible transfert de charge à l'interface par rapport à d'autres substrats19,20,21. Mais même les phases d'alliage de germanium sur Ag(111) présentent des signatures Dirac dans leur structure électronique22.