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Découverte d’une surprenante structure pentagonale de nano-rubans de silicium massivement parallèles

publié le

Découverte d'une surprenante structure pentagonale de nano-rubans de silicium massivement parallèles

Publié dans Nature Communications le 6 octobre 2016

A basse dimension, aucune forme purement pentagonale n’existe pour le silicium, l’élément clé de l’électronique. Depuis plus de dix ans, la structure géométrique de nano-rubans de silicium constitués de brins simples ou doubles, parfaitement alignés sur une surface (110) d’argent, restait en débat. Grâce à des calculs avancés en Théorie de la Fonctionnelle de la Densité, comparés à un ensemble de résultats expérimentaux et à la simulation d’images de microscopie à effet tunnel, Guy Le Lay, Professeur Emérite au sein de l’équipe Plasma-Surface, et ses collaborateurs madrilènes ont dévoilé l’organisation atomique cachée de ces nano-rubans ainsi que celle de leurs précurseurs, des points quantiques de taille moléculaire. Alors que la structure quasi-hexagonale de ces points quantiques, qui rappelle celle du benzène, semble être un germe de silicène*, de façon extrêmement surprenante, l’étude, publiée dans Nature Communications le 6 octobre, révèle que les nano-rubans sont uniquement constitués de motifs de silicium pentagonaux disposées alternativement selon leur longueur. Le système matérialise ainsi une brisure spontanée de symétrie, et, par là même, réalise une mutation étonnante d’embryons de silicène hexagonal vers des brins unidimensionnels chiraux uniquement composés de pentagones de silicium devançant ainsi la synthèse attendue du penta-silicène bidimensionnel.

* Le silicène est un isolant topologique bidimensionnel, la concrétisation emblématique des prédictions théoriques qui viennent de valoir à leurs auteurs David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane et J. Michael Kosterlitz le prix Nobel de Physique 2016. C’est un nouveau matériau émergent analogue au graphène (mais composé uniquement d’atomes de silicium) ouvrant des perspectives prometteuses en nanoélectronique, en spintronique et pour la réalisation d’ordinateurs quantiques. A la différence du graphène (du graphite exfolié d’épaisseur atomique) il n’existe pas dans la nature et donc doit être créé artificiellement. L’équipe Plasma-Surface le synthétise in situ sous ultra-vide par épitaxie par jets moléculaires sur des substrats d’argent (111) monocristallins (pour en savoir plus, voir « Silicene : silicon conquers the 2D world », Guy Le Lay, Eric Salomon, Thierry Angot, Europhysics News, 47,1, 17 (2016)).
Article : Unveiling the pentagonal nature of perfectly aligned single and double strand Si-nanoribbons on Ag(110)
Jorge I. Cerdá1, Jagoda Sławińska1, Guy Le Lay2† , Antonela C. Marele3, José M. Gómez-
Rodríguez3, and María E. Dávila1
Nature Communications, 7, 13076 (2016), DOI : 10.1038/ncomms1307

1. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, ICMM-CSIC, Cantoblanco, 28049 Madrid, Spain.
2. Aix Marseille Université, CNRS, PIIM UMR 7345, 13397, Marseille, France.
3. Departamento de Física de la Materia Condensada, Universidad Autónoma de Madrid, E-28049 Madrid, Spain.
†Prof. Guy Le Lay, Aix-Marseille Université, CNRS, PIIM UMR 7345, 13397 Marseille
Tel. : +33 (0)781672688 ; E-mail ; guy.lelay univ-amu.fr

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Image 3D (12 nm x 7 nm) des nano-rubans de silicium (It = 0.35 nA ; V = -50 mV états pleins)