I nanomateriali del futuro: silicene, la sintesi "pura" nei laboratori di Tor Vergata

Lo studio pubblicato sulla rivista ACS NANO

Protagonista dell'articolo pubblicato di recente su ACS Nano, rivista di alto impatto per la Fisica e la Chimica dei materiali, è il silicene: un nano-materiale realizzato nel laboratorio di Fisica dell’Università di Roma “Tor Vergata”: 

Parente più prossimo del grafene, il silicene è formato da un singolo strato atomico di silicio metallico e al contrario del silicio semiconduttore che si trova in natura presenta una struttura a nido d’ape in cui gli atomi sono disposti secondo una geometria esagonale e planare. Ma qual è la maggiore novità di questo studio? «Finora si era tentato di ottenere il silicene su superfici metalliche ma la formazione di leghe (chiamate siliciuri) ha impedito di essere completamente certi della sua sintesi – spiega Maurizio De Crescenzi, professore di Struttura della Materia e coordinatore del gruppo di Ricerca del Dipartimento di Fisica dell’Università Roma Tor Vergata. -  Nei laboratori del Dipartimento di Fisica abbiamo depositato, in condizioni di ultra-alto-vuoto, monostrati di silicio su superfici di grafite cristallina in modo da evitare ogni possibile fenomeno di mescolamento con il substrato, che nel nostro caso è completamente inerte. Grazie a misure effettuate con il microscopio a scansione ad effetto tunnel (STM) siamo riusciti a visualizzare ciascun atomo di silicio appartenente alla cella elementare esagonale del silicene e abbiamo misurato direttamente le distanze tra gli atomi e le peculiari proprietà elettroniche di questo monostrato con misure di corrente-tensione che mostrano un comportamento di tipo metallico».


La ricerca, condotta da Manuela Scarselli, Paola Castrucci e da Maurizio De Crescenzi presso l’Ateneo di Roma “Tor Vergata”, con la collaborazione di due gruppi francesi (Marsiglia e Parigi), è stata in parte finanziata dal progetto “Silicene: novel two-dimensional nanomaterial”. Il progetto è stato selezionato nell’ambito del “Consolidate the Foundations 2015”, il Bando di Ricerca dell’Ateneo Tor Vergata per sostenere la ricerca di base finalizzata a sviluppare idee con elevato contenuto scientifico e tecnologico.

Presso i Laboratori IMN2P-CNRS di Marsiglia, diretti da Isabelle Berbezier, sono state effettuate misure di Atomic Force Microscopy (AFM), microscopio a forza atomica, grazie alle quali la presenza e la topografia del silicene è stata confermata su scala micrometrica; presso il centro del CNRS dell’Université Paris-Saclay, sono stati invece eseguiti calcoli degli stati elettronici e di stabilità della struttura cristallina del silicene e calcoli di dinamica molecolare per spiegare la formazione di questo nuovo stato cristallino per il silicio depositato su grafite.

Nell’immagine sopra, a sinistra, ottenuta con l'STM, il microscopio a effetto tunnel descritto nell’articolo su ACS Nano, sono visualizzati gli atomi del silicio che formano lo strato di silicene, mettendone in evidenza la struttura planare a nido d'ape. A destra, la struttura teorica, calcolata dal gruppo francese, che rende conto delle misure sperimentali del gruppo dell’Università di “Tor Vergata”.

«La nuova prova sperimentale della sintesi del silicene, non più sospettata di formare una lega metallica con il substrato, e la sua descrizione teorica, rappresentano un eccellente risultato per la scienza dei materiali di nuova generazione, dal momento che il silicio è uno dei materiali base per tutta la tecnologia micro e nanoelettronica utilizzata per ottenere i dispositivi di più ampio utilizzo» sottolinea il prof. De Crescenzi.

Come nel caso del grafene, grandi sono le aspettative per i futuri sviluppi nella nanoelettronica, nelle celle solari e nei detector. Nei dispositivi nanotecnologici del futuro la tendenza sarà quella di miniaturizzare sempre di più il materiale utilizzato per ottenere, ad esempio: celle solari con alta efficienza quantica ed ultra-trasparenti, transistor (tipo FET) ultraveloci su scala nanometrica e rivelatori di gas inquinanti grazie alla grande interazione degli atomi metallici di silicio con le molecole esterne. Il silicene con le sue nuove proprietà elettroniche e strutturali potrà venire incontro a queste esigenze.

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