Cacbua silic (SiC) là một hợp chất tinh thể cứng của silic và cacbon, cực hiếm xuất hiện trong tự nhiên và thường được sản xuất tổng hợp. Ngoài việc được sử dụng để tạo ra các tấm gốm, áo chống đạn và các sản phẩm thương mại khác, SiC còn là một chất bán dẫn, một vật liệu có độ dẫn điện vừa phải, nằm trong khoảng giữa chất dẫn điện và chất cách điện.
Các nhà vật lý và khoa học vật liệu đã nghiên cứu các tính chất của chất bán dẫn này trong nhiều thập kỷ. Giống như các vật liệu khác, SiC có thể tồn tại ở các dạng vật chất khác nhau và dạng 2D của nó cho đến nay vẫn khó nắm bắt và chủ yếu vẫn là giả thuyết.
Theo các dự đoán lý thuyết, dạng hình 2D của chất bán dẫn này có một khoảng cách dải trực tiếp lớn là 2,5 eV và độ linh hoạt hóa học cao, đồng thời sẽ ổn định trong điều kiện môi trường xung quanh. Tuy nhiên, cho đến nay, điều này vẫn chưa được chứng minh bằng thực nghiệm. Các nghiên cứu hiện tại chỉ báo cáo các sợi nano 2D SiC bị rối loạn.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Lund, Đại học Công nghệ Chalmers và Đại học Linköping gần đây đã tổng hợp được lớp SiC có cấu trúc tinh thể mạng tổ ong đơn lớp trên các màng cacbua kim loại chuyển tiếp siêu mỏng được đặt trên đế SiC.
Nghiên cứu của họ, được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters, đưa ra một kỹ thuật đầy hứa hẹn cho sự tổng hợp trên diện rộng và từ dưới lên dạng thù hình khó nắm bắt của SiC.
Trao đổi với Phys.org, Craig Polley, thành viên nhóm nghiên cứu cho biết: “Các cộng tác viên của chúng tôi quan tâm đến việc nghiên cứu màng mỏng cacbua kim loại chuyển tiếp trên chất nền SiC. Họ biết rằng, graphene có thể phát triển được nhờ các lớp phủ SiC nên họ hy vọng là có thể làm được điều này và tạo ra một lớp bọc graphene trên các màng cacbua kim loại”.
Polley và các đồng nghiệp của ông ban đầu đã cố gắng nghiên cứu các tính chất của lớp bọc graphene được hình thành trên các màng cacbua kim loại. Tuy nhiên, trong khi cố gắng mô tả các đặc tính của lớp này bằng kỹ thuật là ARPES (angle resolved photoemission spectroscopy), họ đã quan sát thấy quang phổ rất nổi bật và hấp dẫn không giống với quang phổ quan sát được trong graphene.
“Cuối cùng hóa ra là không có graphene trên các mẫu. Phải mất rất nhiều phép đo và tính toán trước khi chúng tôi có thể xác định được bề mặt bí ẩn này là gì, và chúng tôi rất ngạc nhiên khi hóa ra nó là SiC cấu trúc mạng tinh thể tổ ong”, Polley nói
Polley và các đồng nghiệp của ông vẫn chưa nắm được toàn bộ các chi tiết của quy trình làm nền tảng cho sự phát triển thành công của SiC cấu trúc mạng tinh thể tổ ong đơn lớp này. Tuy nhiên, họ đã xác định được một kỹ thuật cho phép có thể tổng hợp được nó.
Về cơ bản, kỹ thuật này đòi hỏi phải đặt một màng mỏng cacbua kim loại chuyển tiếp lên trên đế SiC. Khi lớp vật liệu này được ủ ở nhiệt độ đủ cao, SiC sẽ bị phân hủy, trong khi cacbua kim loại vẫn còn nguyên vẹn và các nguyên tử Si và C di chuyển lên bề mặt.
Polley giải thích, “Nếu ủ đủ nhiệt, các lá Si và C sẽ kết tinh lại thành graphene-và đây là một kỹ thuật nổi tiếng để phát triển các lớp graphene chất lượng cao trên SiC đơn giản. Nhưng ở điều kiện ủ thích hợp, Si và C hóa ra không chỉ tồn tại trên bề mặt mà còn kết tinh lại thành SiC mạng tinh thể hình tổ ong đơn lớp”.
Các nhà nghiên cứu cũng tiến hành các phân tích sâu hơn để chứng minh rằng bề mặt duy nhất mà họ quan sát được trên thực tế là pha 2D của SiC. Sau khi xác nhận điều này, họ đã nghiên cứu các đặc điểm của nó để xác thực các dự đoán lý thuyết trước đó. Thật thú vị, họ phát hiện ra rằng trong pha 2D này, SiC gần như phẳng và ổn định ở nhiệt độ cao (lên tới 1.200°C trong chân không).
Những đóng góp chính của nghiên cứu chính là việc khám phá ra một kỹ thuật tổng hợp mới và việc xác định được bề mặt SiC dạng tổ ong.
Mặc dù đây mới chỉ là bước đầu tiên trong cuộc điều tra thử nghiệm về đồng vị 2D của SiC. Sẽ cần thêm nhiều nghiên cứu nữa để tách hiệu quả phần lớp mà nhóm nghiên cứu quan sát được với chất nền bên dưới của nó. Tuy nhiên, kỹ thuật tổng hợp mà họ phát hiện ra là một cột mốc đáng chú ý mở đường cho mục tiêu này.
P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2023-03-synthesis-technique-monolay-honeycomb-sic.html, 14/3/2023