Le catene di polisiline collegate a ponte con berillio portano a materiali Dirac 2D piatti

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13182 (2023) Citare questo articolo

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Il polisilino con unità disiliniche ripetitive, un analogo del silicio del poliacetilene, ha un alto potenziale di applicazione a vari nuovi dispositivi elettronici basati sul silicio a causa delle proprietà uniche delle unità Si=Si con un gap energetico HOMO-LUMO minore rispetto a quello di C=C unità. Tuttavia, la polisilina unidimensionale (1D) non è stata ancora sintetizzata. Qui proponiamo un materiale bidimensionale (2D) planare e stabile all'aria a base di silicio con spessore di un atomo costituito da polisilina 1D all-trans con ponte di berillio, basato sui calcoli dei principi primi. La struttura piatta della polisilina 1D, essenziale per la stabilità dell'aria dei sistemi coniugati di silicio con elettroni π, è realizzata incorporando la polisilina in un foglio planare. Si è scoperto che il cristallo 2D ottimizzato nella cella unitaria del rombo con la simmetria del gruppo D2h è un semimetallo di Dirac a base di silicio con dispersione lineare all'energia di Fermi e ospita fermioni di Dirac anisotropi.

Le nanostrutture unidimensionali (1D) in materiali bidimensionali (2D) forniscono una piattaforma unica per studiare le caratteristiche proprietà 1D in una configurazione su scala atomica ben definita1,2,3. Questi nuovi materiali risolverebbero una difficoltà sperimentale di vecchia data condivisa da molti polimeri 1D: difficilmente sono fabbricati in una forma cristallina per produrre una netta diffrazione dei raggi X. Il polisilino con unità disiliniche ripetute (HSi≡SiH) è un analogo silicio del poliacetilene con unità di acetilene (HC≡CH). Dalla scoperta dell'elevata conduttività elettrica nel poliacetilene drogato4, grande attenzione è stata focalizzata sulle sue nuove proprietà come il più semplice polimero coniugato 1D5,6,7,8,9. D'altra parte, il suo analogo in silicio, il polisilino 1D, non è stato ancora sintetizzato, mentre ha un alto potenziale di applicazione a vari nuovi dispositivi elettronici basati sul silicio grazie alle proprietà uniche delle unità Si=Si con un HOMO-LUMO più piccolo gap energetico rispetto a quello delle unità C=C.

È noto che la struttura piatta è essenziale per la coniugazione π e l'ibridazione sp2 nei sistemi coniugati di carbonio π-elettrone, come il poliacetilene 1D, il grafene 2D e i loro elementi costitutivi (etilene e benzene). Tuttavia, il sistema coniugato con elettrone π del silicio differisce marcatamente dalla controparte del carbonio nella struttura e nella stabilità, nonostante un'ibridazione simile che si verifica in entrambi i sistemi (Rif. 10,11,12,13,14 e riferimenti ivi citati). A differenza del grafene piatto e altamente stabile, il silicene, un equivalente in silicio del grafene, è relativamente appiccicoso e instabile nell'aria a causa della sua struttura increspata o increspata15. Gli elementi costitutivi della polisilina (disilene (RSi = SiR)16 e tetrasilabuta-1,3-diene17,18) sono stati sintetizzati con successo utilizzando il sostituente ingombrante per un isolamento stabile, ma non mostrano una struttura planare, suggerendo che una semplice estensione con questi elementi costitutivi non si fornirebbe polisilina 1D planare (Fig. 1). D'altra parte, utilizzando la donazione di elettroni nel sistema di elettroni π del silicio invece del sostituente voluminoso, mediante i nostri calcoli del primo principio sono stati ottenuti disilino lineare e catene ed esagoni di polisilicio planare. Sperimentalmente, è stato riportato che il disilenillitio (un analogo del silicio del vinillitio), in cui gli atomi di litio agiscono come un forte donatore di elettroni, ha un angolo di torsione ridotto tra due piani Si-Si-Si, sebbene non sia ancora perfettamente planare. Sulla base di questi studi sui sistemi coniugati di elettrone π di silicio donato da elettroni, siamo riusciti a progettare un elemento costitutivo piatto per il silicene piatto23. Inoltre, abbiamo progettato un nanonastro di silicene piatto a zigzag a 2 catene in un foglio piatto 2D, dove i nanonastri di silicene sono collegati con l'atomo di berillio (Fig. 1)24. Questi risultati ci hanno motivato a progettare la polisilina 1D all-trans in un foglio 2D con una configurazione planare, poiché la polisilina 1D all-trans forma un bordo del nanonastro di silicene a zigzag (Fig. 1).