Silicene: proprietà, applicazioni

Il silicene è una forma allotropica bidimensionale del silicio con una struttura a nido d’ape in cui gli atomi di silicio hanno ibridazione sp² e sp³ e pertanto si differenzia dal grafene in cui tutti gli atomi di carbonio sono ibridati sp².

A differenza del grafene che si presenta planare e altamente stabile, il silicene è  instabile a causa della sua struttura non planare. La planarità, infatti, è importante per la stabilità e per ottenere una perfetta coniugazione degli elettroni π. Il silicene, come il grafene, è costituito da un modello esagonale di atomi, ma in esso gli anelli esagonali presentano distorsioni dovute a una configurazione a “sedia”.

Il grafene, nonostante abbia diverse caratteristiche interessanti presenta anche alcuni svantaggi, tra cui il prezzo eccessivo e la mancanza di tecniche per una produzione commerciale a basso costo. Per questo motivo, utilizzando gli elementi del gruppo 13, del gruppo 14, ad eccezione del carbonio e del gruppo 15 sono stati sviluppati materiali in 2D come il fosforene, il boronene, il silicene, l’antimonene e il bismutene, che hanno suscitato un notevole interesse grazie alle loro proprietà uniche di offrire una superficie specifica molto elevata.

Come materiale 2D emergente, il silicene che presenta proprietà come elevata area superficiale specifica, eccellenti proprietà ottiche, proprietà elettroniche uniche, biocompatibilità e biodegradabilità, offre un’opportunità promettente per applicazioni in diversi campi che si espandono dalla scienza elettronica alla biomedicina.

Preparazione del silicene

A differenza del grafene, il metodo di esfoliazione diretta non è adatto per produrre silicene pertanto attualmente il metodo principale per la fabbricazione di questo materiale è l’epitassia da fasci molecolari che prevede la deposizione di sottili strati di materiale cristallino su un substrato massivo, anch’esso cristallino, che ne indirizza la crescita e ne determina le proprietà strutturali.

Sono stati sperimentate diverse strategie sintetiche per ottenere il silicene tra cui la sintesi mediante il metodo dei sali fusi a partire dal trattamento termico siliciuro di calcio in presenza di stagno che è essenzialmente un materiale costituito da strati di silicene intercalati con calcio.

Il silicene è stato ottenuto da alcuni ricercatori utilizzando uno speciale trattamento chimico del siliciuro di calcio rimuovendo atomi di Ca dai cristalli di CaSi₂ in acido cloridrico concentrato. Per fabbricare strati separati di silicene, è stato applicato un processo di sonicazione seguito da centrifugazione.

Un nuovo metodo di sintesi diretta prevede l’utilizzo del metodo di deposizione laser pulsata (PLD), tecnica di deposizione fisica a vapore (PVD) in cui un raggio laser pulsato ad alta potenza è focalizzato all’interno di una camera a vuoto per colpire il materiale che deve essere depositato. È stato scoperto che un cristallo di silicene cresce rapidamente con fascio di elettroni coerenti che irradiano un film di silicio amorfo preparato utilizzando il metodo PLD in un’atmosfera di Ar alla pressione di 10 ⁻⁷ Pa.

Proprietà

Come molti materiali 2D con elevata conduttività elettrica, il silicene è uno dei pochi materiali che possiede coni di Dirac che si verificano in alcune strutture a bande elettroniche che descrivono proprietà insolite di trasporto di elettroni. In questi materiali, a energie vicine al livello Fermi, la banda di valenza e la banda di conduzione assumono la forma delle metà superiore e inferiore di una superficie conica, incontrandosi in quelli che sono chiamati punti di Dirac.

Il silicene presenta effetto Hall quantistico di spin, scoperto nel 1971 dai fisici russi Mikhail I. Dyakonov e Vladimir Perel, che si osserva in sistemi elettronici bidimensionali ad alta mobilità e basso disordine. Secondo tale effetto sulle superfici di materiali che trasportano corrente, gli spin degli elettroni tendono a polarizzarsi lungo una certa direzione e, in particolare, se il conduttore ha una geometria piana i versi degli spin su facce opposte sono orientati in versi tra loro opposti. Il silicene ha tutte le eccellenti proprietà elettroniche del grafene, ma con un maggiore accoppiamento spin-orbitale e ha il potenziale per utilizzare l’effetto Hall quantistico di spin.

Nonostante la sua struttura, il silicene possiede un gap di banda zero dalla sovrapposizione delle bande di conduzione e di valenza sebbene questo gap di banda sia sintonizzabile. A causa della prevalenza di legami ibridati sp³ la superficie chimicamente più attiva e può essere drogato con un’ampia gamma di atomi per fornire proprietà elettroniche sintonizzabili. Ciò consente al silicene di essere sintonizzato sia in un materiale semimetallico che in un materiale semiconduttore.

Anche le proprietà magnetiche sono anche influenzate dal drogaggio. Il silicene ha un magnetismo interno derivante dall’elevato accoppiamento spin-orbita e sotto un campo magnetico, gli elettroni si spostano dalla banda di conduzione alla banda di valenza

Il drogaggio può avere un’ampia gamma di effetti sulle proprietà magnetiche del silicene, tra cui l’induzione di un momento magnetico locale, la trasformazione del silicene in un semiconduttore ferromagnetico e l’introduzione di un ordinamento magnetico sintonizzabile da ferromagnetico ad antiferromagnetico. Il silicene è anche molto stabile, in particolare termicamente, e si ritiene che possa essere stabile fino a 1500 K sebbene sia un materiale termicamente isolante.

Applicazioni

Grazie alle sue proprietà il silicene ha dimostrato applicazioni vantaggiose nei sensori chimici, nei dispositivi elettronici, nei materiali di accumulo di energia, supercondensatori di nuova generazione e nei materiali anodici per batterie a ioni litio.

Può essere utilizzato nei transistor a effetto di campo, tipo di transistor largamente usato nel campo dell’elettronica digitale, diffuso anche nell’elettronica analogica che utilizza un campo elettrico per controllare il flusso di corrente attraverso un canale semiconduttore.

È usato nelle membrane flessibili, materiale semipermeabile che funge da barriera per impedire la trasmissione di alcune sostanze, ma consente il passaggio di altre che sono essenziali nel trattamento delle acque, nelle reazioni elettrochimiche e nell’ingegneria biomedica.

Con lo sviluppo delle applicazioni del silicene, alcune ricerche hanno indagato le applicazioni dei nanomateriali di silicene in medicina biologica. È stato trovato che, pur mantenendo i meriti dei tradizionali biomateriali a base di silicio, il silicene possiede biodegradabilità ed eccellenti proprietà ottiche, che trasformano gli agenti a base di silicio da tradizionali vettori di farmaci a versatili piattaforme funzionali.

Rispetto ad altri materiali in silicio, come il silicio poroso, le prestazioni ottiche superiori del silicene gli conferiscono prestazioni di conversione fototermica e capacità di bioimaging. Per questo motivo, è studiato per lo sviluppo di bionanomateriali efficienti, stabili, sicuri e multifunzionali, che mostrano un grande potenziale nell’applicazione biomedica.

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