Les chaînes polysilyne pontées avec du béryllium conduisent à des matériaux Dirac 2D plats

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13182 (2023) Citer cet article

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Le polysilyne avec des unités disilyne répétitives, un analogue du silicium du polyacétylène, présente un potentiel élevé d'application à divers nouveaux dispositifs électroniques à base de silicium en raison des propriétés uniques des unités Si=Si avec un écart énergétique HOMO-LUMO plus petit que celui de C=C. unités. Cependant, la polysilyne unidimensionnelle (1D) n’a pas encore été synthétisée. Nous proposons ici un matériau à base de silicium bidimensionnel (2D) plan et stable à l'air avec une épaisseur d'un atome, constitué de polysilyne tout trans 1D ponté au béryllium, basé sur les calculs des premiers principes. La structure plate du polysilyne 1D, essentielle à la stabilité à l'air des systèmes conjugués à électrons π du silicium, est réalisée en incorporant du polysilyne dans une feuille plane. Il a été constaté que le cristal 2D optimisé au niveau de la cellule unitaire du losange avec la symétrie du groupe D2h est un semi-métal de Dirac à base de silicium avec une dispersion linéaire à l'énergie de Fermi et héberge des fermions de Dirac anisotropes.

Les nanostructures unidimensionnelles (1D) dans des matériaux bidimensionnels (2D) fournissent une plate-forme unique pour étudier les propriétés 1D caractéristiques dans une configuration bien définie à l'échelle atomique1,2,3. Ces nouveaux matériaux résoudraient une difficulté expérimentale de longue date partagée par de nombreux polymères 1D, à savoir qu'ils sont difficilement fabriqués sous une forme cristalline pour produire une diffraction des rayons X précise. Le polysilyne avec des unités répétitives disilyne (HSi≡SiH) est un analogue du silicium du polyacétylène avec des unités acétylène (HC≡CH). Depuis la découverte de la conductivité électrique élevée du polyacétylène dopé4, une grande attention a été portée sur ses nouvelles propriétés en tant que polymère conjugué 1D le plus simple5,6,7,8,9. D'autre part, son analogue du silicium, le polysilyne 1D, n'a pas encore été synthétisé, alors qu'il présente un potentiel élevé d'application à divers nouveaux dispositifs électroniques à base de silicium en raison des propriétés uniques des unités Si=Si avec un HOMO-LUMO plus petit. écart énergétique supérieur à celui des unités C=C.

Il est bien connu que la structure plate est essentielle pour la conjugaison π et l'hybridation sp2 dans les systèmes conjugués aux électrons π du carbone, tels que le polyacétylène 1D, le graphène 2D et leurs éléments constitutifs (éthylène et benzène). Cependant, le système conjugué aux électrons π du silicium diffère nettement de son homologue carboné en termes de structure et de stabilité, malgré une hybridation similaire se produisant dans les deux systèmes (Réf. 10, 11, 12, 13, 14 et références citées dans celles-ci). Contrairement au graphène plat et très stable, le silicène, un équivalent silicium du graphène, est relativement collant et instable dans l’air en raison de sa structure plissée ou froissée15. Les éléments constitutifs du polysilyne (disilène (RSi = SiR)16 et tétrasilabuta-1,3-diène17,18) ont été synthétisés avec succès en employant le substituant volumineux pour un isolement stable, mais ils ne présentent pas de structure planaire, ce qui suggère qu'une simple extension avec ces blocs de construction, on ne fournirait pas de polysilyne planaire 1D (Fig. 1). D'autre part, en utilisant le don d'électrons dans le système d'électrons π du silicium au lieu d'un substituant volumineux, des chaînes et des hexagones de disilyne linéaire et planaire de polysilicium ont été obtenus par nos calculs de premier principe . Expérimentalement, le disilényllithium (un analogue du silicium du vinyllithium), dans lequel les atomes de lithium agissent comme un puissant donneur d'électrons, aurait un angle de torsion réduit entre deux plans Si – Si – Si, bien qu'il ne soit toujours pas parfaitement plan. Sur la base de ces études sur les systèmes conjugués aux électrons π du silicium donné par des électrons, nous avons réussi à concevoir un élément de base plat pour le silicène plat . De plus, nous avons conçu un nanoruban de silice en zigzag plat à 2 chaînes dans une feuille plate 2D, où les nanorubans de silicène sont pontés avec un atome de béryllium (Fig. 1)24. Ces résultats nous ont motivés à concevoir du polysilyne 1D tout trans dans une feuille 2D avec une configuration planaire, car le polysilyne 1D tout trans forme un bord de nanoruban de silicène en zigzag (Fig. 1).