Cadeias de polissilina interligadas com berílio levam a materiais Dirac 2D planos

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13182 (2023) Citar este artigo

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A polissilina com unidades repetidas de dissilina, um análogo de silício do poliacetileno, tem um alto potencial para aplicação em vários novos dispositivos eletrônicos baseados em silício devido às propriedades únicas das unidades Si = Si com um intervalo de energia HOMO-LUMO menor do que o de C = C unidades. No entanto, a polissilina unidimensional (1D) ainda não foi sintetizada. Aqui propomos um material bidimensional (2D) à base de silício, planar e estável ao ar, com espessura de um átomo, consistindo de polissilina totalmente trans 1D com ponte de berílio, com base nos cálculos dos primeiros princípios. A estrutura plana da polissilina 1D, que é essencial para a estabilidade ao ar dos sistemas conjugados de elétrons π de silício, é realizada pela incorporação da polissilina em uma folha plana. Verificou-se que o cristal 2D otimizado na célula unitária do losango com a simetria do grupo D2h é um semimetal Dirac à base de silício com dispersão linear na energia de Fermi e hospeda férmions anisotrópicos de Dirac.

Nanoestruturas unidimensionais (1D) em materiais bidimensionais (2D) fornecem uma plataforma única para investigar as propriedades 1D características sob uma configuração de escala atômica bem definida . Esses novos materiais resolveriam uma dificuldade experimental de longa data compartilhada por muitos polímeros 1D: eles dificilmente são fabricados em uma forma cristalina para produzir uma difração de raios X nítida. Polissilina com unidades repetidas de dissilina (HSi≡SiH) é um análogo de silício de unidades de poliacetileno com acetileno (HC≡CH). Desde a descoberta da alta condutividade elétrica no poliacetileno dopado4, grande atenção tem sido focada em suas novas propriedades como o polímero conjugado 1D mais simples5,6,7,8,9. Por outro lado, seu análogo de silício, polissilina 1D, ainda não foi sintetizado, embora tenha um alto potencial para aplicação em vários novos dispositivos eletrônicos baseados em silício devido às propriedades únicas das unidades Si=Si com um HOMO-LUMO menor. lacuna de energia do que a das unidades C = C.

É bem sabido que a estrutura plana é essencial para a conjugação π e a hibridização sp2 nos sistemas conjugados de elétrons π de carbono, como poliacetileno 1D, grafeno 2D e seus blocos de construção (etileno e benzeno). No entanto, o sistema conjugado de elétrons π de silício difere marcadamente da contraparte de carbono na estrutura e estabilidade, apesar de uma hibridização semelhante ocorrer em ambos os sistemas (Refs.10,11,12,13,14 e referências aí citadas). Ao contrário do grafeno plano e altamente estável, o siliceno, um equivalente de silício do grafeno, é relativamente pegajoso e instável no ar devido à sua estrutura enrugada ou enrugada . Os blocos de construção de polissilina (disileno (RSi = SiR)16 e tetrasilabuta-1,3-dieno17,18) foram sintetizados com sucesso empregando o substituinte volumoso para isolamento estável, mas não exibem uma estrutura planar, sugerindo que uma simples extensão com esses blocos de construção não forneceria polissilina 1D planar (Fig. 1). Por outro lado, usando a doação de elétrons para o sistema π-elétron de silício, em vez de substituintes volumosos, cadeias e hexágonos de polissilício linear e polisilício planar foram obtidos por nossos cálculos de primeiro princípio . Experimentalmente, foi relatado que o disilenilítio (um análogo de silício do vinillítio), onde os átomos de lítio atuam como um forte doador de elétrons, tem um ângulo de torção reduzido entre dois planos Si-Si-Si, embora ainda não seja perfeitamente planar. Com base nesses estudos sobre os sistemas conjugados de elétrons π de silício doado por elétrons, conseguimos projetar um bloco de construção plano para o siliceno plano . Além disso, projetamos uma nanofita plana de siliceno em zigue-zague de 2 cadeias em uma folha plana 2D, onde as nanofitas de siliceno são interligadas com o átomo de berílio (Fig. 1) . Essas descobertas nos motivaram a projetar polissilina 1D totalmente trans em uma folha 2D com uma configuração planar, porque a polissilina 1D totalmente trans forma uma borda de nanofita de siliceno em zigue-zague (Fig. 1).