Synthesis and passivation of silicene

Abstract

Silizen ist ein zweidimensionales Material, welches aus einem hexagonalem Ring aus Siliziumatomen besteht, die in einer gleichmäßig gewölbten Struktur angeordnet sind. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften sowie die Synthese und möglichen Passivierungsmethoden dieser Struktur zu untersuchen ist derzeit von höchstem Interesse der Forschungsgemeinschaft für 2D und van der Waals-Materialien. Beim Anlegen eines äußeren elektronischen Feldes oder einer mechanischen Spannung kann die eben genannte gleichmäßig gewölbte Struktur von Silizen dahingehend beeinflußt werden, dass sich die Höhe der Wölbung ändert. Dies wiederum indiziert eine Öffnung der Bandlücke. Das ist ein schwerwiegender Vorteil von Silizen gegenüber dem populären Graphen, welches einen Dirac-Zylinder aufweist, dessen Bandlücke nicht geöffnet werden kann. Im Gegensatz zu Graphen erfolgt die Synthese von Silizen jedoch nicht mit der einfachen und berühmten "Scotchtape-Methode" oder der chemischen Gasphasenabscheidung. Sie erfolgt mittels Molekularstrahlepitaxie in einem Ultrahochvakuum. Beim Entfernen aus dem Hochvakuum in atmosphärische Bedingungen wird das Silizen sofort oxdiziert und verliert seine interessanten Eigenschaften. Dies ist das bestimmende und sehr schwierig zu lösende Kernproblem für die weitere Untersuchung von Silizen unter atmosphärischen Bedingungen. Die Instabilität von Silizen unter atmosphärischen Bedingungen erschwert die Integration des Materials in elektronische Bauteile. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein besonderer Fokus auf die Problematik der Einkapselung und Passivierung von Silizen gelegt.

Silicene is a 2D material consisting out of a hexagonal rings of silicon atoms with a buckled structure. Investigating the physical and chemical properties of silicene as well as the possible synthesis and passivation methods are of high interest for the research community of 2D-materials. By applying an outside electric field or mechanical strain to silicene, the buckling parameters can be varied and therefore a direct band gap can be opened. This is a major advantage compared to its relative graphene, in which the dirac cone cannot be opened easily. However, in contrast to graphene, the synthesis of silicene is not possible via mechanical exfoliation or chemical vapour deposition. The common synthesis follows a molecular beam epitaxy evaporation in ultra-high vacuum conditions. When silicene is exposed to ambient conditions after its synthesis in ultra-high vacuum conditions, it is oxidized within minutes. This is a complicating factor for the proper investigation of silicene at ambient conditions. Furthermore, the instability of silicene is essentially complicating the implementation of this high-tech material into electronic devices. Therefore, a special focus was set within this thesis on the investigation of various encapsulation techniques, which are not altering the intrinsic highly interesting properties of silicene.