ベリリウムで架橋されたポリシリン チェーンにより、平坦な 2D ディラック材料が得られます

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13182 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

ポリアセチレンのシリコン類似体であるジシリン繰り返し単位を持つポリシリンは、C=C よりも HOMO-LUMO エネルギーギャップが小さい Si=Si 単位のユニークな特性により、さまざまな新しいシリコンベースの電子デバイスへの応用の高い可能性を秘めています。単位。 しかし、一次元（1D）ポリシリンはまだ合成されていません。 今回我々は、第一原理計算に基づいて、ベリリウム架橋1Dオールトランスポリシリンからなる1原子厚の平面的で空気安定な二次元（2D）シリコンベース材料を提案する。 シリコンπ電子共役系の空気安定性に不可欠な1Dポリシリンの平面構造は、平面シートにポリシリンを埋め込むことで実現されます。 D2h群対称性を持つ菱形単位格子で最適化された2D結晶は、フェルミエネルギーで線形分散を有するシリコンベースのディラック半金属であり、異方性ディラックフェルミオンをホストすることが判明した。

二次元（2D）材料中の一次元（1D）ナノ構造は、明確に定義された原子スケール構成の下で特徴的な 1D 特性を研究するためのユニークなプラットフォームを提供します 1、2、3。 これらの新しい材料は、多くの 1D ポリマーが共有する長年の実験上の困難、つまり鋭い X 線回折を得るために結晶形で製造することが難しいという問題を解決するでしょう。 繰り返しジシリン (HSi≡SiH) 単位を持つポリシリンは、アセチレン (HC≡CH) 単位を持つポリアセチレンのシリコン類似体です。 ドープされたポリアセチレンの高い電気伝導性が発見されて以来 4、最も単純な 1D 共役ポリマーとしてのその新規特性に大きな注目が集まっています 5、6、7、8、9。 一方、そのシリコン類似体である1Dポリシリンはまだ合成されていないが、HOMO-LUMOが小さいSi=Si単位のユニークな特性により、さまざまな新しいシリコンベースの電子デバイスへの応用の可能性が高い。 C=C ユニットのエネルギーギャップよりもエネルギーギャップが大きい。

1D ポリアセチレン、2D グラフェン、およびそれらの構成要素 (エチレンやベンゼン) などの炭素π電子共役系では、平坦な構造が π 共役および sp2 ハイブリッド形成に不可欠であることはよく知られています。 しかし、シリコンのπ電子共役系は、両方の系で同様のハイブリッド形成が起こるにもかかわらず、構造と安定性において炭素の対応物とは著しく異なります（参考文献10、11、12、13、14およびそこに引用されている参考文献）。 平らで安定性の高いグラフェンとは異なり、グラフェンと同等のシリコンであるシリセンは、しわが寄った構造のため、空気中では比較的粘着性があり、不安定です15。 ポリシリンの構成要素 (ジシレン (RSi = SiR)16 およびテトラシラブタ-1,3-ジエン 17,18) は、安定な単離のためにかさばる置換基を使用することで合成に成功しましたが、それらは平面構造を示さず、単純な拡張が可能であることを示唆しています。これらの構成要素を使用すると、平面状の 1D ポリシリンは得られません (図 1)。 一方、嵩高い置換基の代わりにシリコンのπ電子系への電子供与を利用することで、第一原理計算により直鎖状のジシリンや平面状のポリシリコン鎖や六角形が得られた19,20,21。 実験的には、リチウム原子が強力な電子供与体として機能するジシレニリチウム (ビニルリチウムのシリコン類似体) 22 は、まだ完全には平面ではありませんが、2 つの Si-Si-Si 面間のねじれ角が減少していることが報告されています。 電子供与シリコンのπ電子共役系に関するこれらの研究に基づいて、我々は平坦なシリセンの平坦な構成要素を設計することに成功した23。 さらに、平坦な 2D シート内に平坦な 2 鎖ジグザグ シリセン ナノリボンを設計しました。シリセン ナノリボンはベリリウム原子で架橋されています (図 1)24。 これらの発見は、オールトランス 1D ポリシリンがジグザグのシリセン ナノリボンのエッジを形成するため、平面構成の 2D シート内にオールトランス 1D ポリシリンを設計する動機になりました (図 1)。