矽烯: 通過將電子設備與人體相結合，通往控制論未來的道路

By Fouad Sabry

什麼是矽烯

矽烯是矽的二維同素異形體，具有類似於石墨烯的六角蜂窩結構。與石墨烯相反，矽烯不是扁平的，而是具有周期性彎曲的拓撲結構；矽烯中層間的耦合比多層石墨烯強得多；而二氧化矽的氧化形式，即二維二氧化矽，其化學結構與氧化石墨烯截然不同。

您將如何受益

(I) 關於以下主題的見解和驗證：

第 1 章：矽烯

第 2 章：二維二氧化矽

第 3 章：硼烯

第 4 章：鍺烯

第 5 章：Stanene

第 6 章：鉛烯

第 7 章：同素異形體

第 8 章：矽

第 9 章：氧化石墨

（二）關於矽烯的公眾熱點問題解答。

(III) 矽烯在多個領域的實際應用實例。

（四）17個附錄，簡述各行業266項新興技術，360度全方位了解矽烯技術。

本書的讀者對象

專業人士、本科生和研究生、愛好者、業餘愛好者以及想要超越任何類型的矽烯的基本知識或信息的人。

• Language: 中文
• Publisher: 十億個知識淵博 [Chinese (Traditional)]
• Release date: Jan 27, 2022

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26 - 晶元實驗室

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36 - 可程式設計物質

37 - 量子點

38 - 矽烯

39 - 高溫合金

40 - 合成鑽石

41 - 時間晶體

42 - 半透明混凝土

43 - 腦機介面

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10 - 高溫超導

11 - 磁性納米顆粒

12 - 磁流變液

13 - 微流體

14 - 超流動性

15 - 超材料

16 - 金屬泡沫

17 - 多功能結構

18 - 納米材料

19 - 可程式設計物質

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21 - 矽烯

22 - 高溫合金

23 - 人造金剛石

24 - 時間晶體

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神經科學中的新興技術

1 - 腦機介面

機器人技術的新興技術

1 - 群體智慧

10億知識淵博

矽烯

通過融合電子與人體，通往控制論未來的途徑

福阿德·薩布里

版權

矽烯 版權所有 © 2021 by Fouad Sabry.保留所有權利。

保留所有權利。未經作者書面許可，不得以任何形式或任何電子或機械手段（包括資訊存儲和檢索系統）複製本書的任何部分。唯一的例外是審稿人，他們可能會在評論中引用簡短的摘錄。

封面由Fouad Sabry設計。

這本書是一部虛構的作品。名稱、人物、地點和事件要麼是作者想像的產物，要麼是虛構使用的。任何與真實人物的相似之處，無論是活著的還是死去的，事件或地點都是完全巧合。

獎金

您可以向 [e-mail] 發送一封電子郵件，主題為「矽烯：通過將電子設備與人體融合實現控制論未來的途徑」，您將收到一封電子郵件，其中包含本書的前幾章。

福阿德·薩布里

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www.1BKOfficial.org

前言

我為什麼要寫這本書？

寫這本書的故事始於1989年，當時我是高級中學的學生。

它非常類似於STEM（科學，技術，工程和數學）學校，現在在許多發達國家都可以使用。

STEM是一門課程，其基礎是以跨學科和應用的方法教育四個特定學科（科學，技術，工程和數學）的學生。該術語通常用於解決學校的教育政策或課程選擇。它對勞動力發展、國家安全關切和移民政策都有影響。

圖書館每周都有一堂課，每個學生都可以自由選擇任何書籍並閱讀1小時。該課程的目的是鼓勵學生閱讀教育課程以外的科目。

在圖書館里，當我看著書架上的書時，我注意到了巨大的書，總共5000頁，分為5個部分。書名是《技術百科全書》，它描述了我們周圍的一切，從絕對零到半導體，幾乎每一種技術，在那個時候，都是用彩色插圖和簡單的文字來解釋的。我開始閱讀百科全書，當然，我無法在每周1小時的課程中完成它。

所以，我說服父親買了這本百科全書。我父親在我生命之初為我購買了所有的技術工具，第一台計算機和第一本技術百科全書，兩者都對我自己和我的事業產生了很大的影響。

我在今年的同一個暑假里完成了整本百科全書，然後我開始看到宇宙是如何運作的，以及如何將這些知識應用於日常問題。

我對這項技術的熱情始於30年前，現在的旅程仍在繼續。

這本書是新興技術百科全書的一部分，我試圖給讀者帶來我在高中時的驚人體驗，但我對21世紀的新興技術，應用和行業解決方案更感興趣，而不是 20世紀的技術。

《新興技術百科全書》將由365本書組成，每本書將專注於一項新興技術。您可以在本書末尾的即將推出部分閱讀新興技術及其按行業分類的清單。

365本書，讓讀者有機會在一年內每天增加對一項新興技術的知識。

介紹

我是怎麼寫這本書的？

在每本《新興技術百科全書》中，我都試圖直接從人們的腦海中獲得即時的原始搜索見解，試圖回答他們關於新興技術的問題。

每天有30億次谷歌搜索，其中20%以前從未見過。它們就像是人們思想的直接線。

有時是「如何清除卡紙」。其他時候，這是他們唯一敢與谷歌分享的痛苦恐懼和秘密渴望。

在我追求發現關於「矽烯」的內容創意的未開發金礦的過程中，我使用許多工具來收聽來自Google等搜尋引擎的自動完成數據，然後快速找出每個有用的短語和問題，人們正在詢問關鍵字「矽烯」。。

它是人們洞察的金礦，我可以用它來創造新鮮、超有用的內容、產品和服務。善良的人，像你一樣，真的想要。

人搜索是有史以來收集到的關於人類心理的最重要的數據集。因此，這本書是一個活生生的產品，並且不斷更新越來越多的關於矽烯的新問題的答案，人們，就像你我一樣，想知道這個新興技術，並希望瞭解更多有關它的資訊。

寫這本書的方法是更深入地了解人們如何搜索「矽烯」，揭示我不一定會想到的問題和疑問，並用超級簡單易懂的單詞回答這些問題，並以直接的方式流覽這本書。

因此，在寫這本書時，我確保它盡可能地優化和有針對性。本書的目的是幫助人們進一步瞭解和增加他們對「矽烯」的瞭解。我試圖盡可能密切地回答人們的問題，並展示更多。

這是一種奇妙的，美麗的方式，可以探索人們提出的問題和問題並直接回答它們，併為本書的內容添加洞察力，驗證和創造力 - 甚至是推銷和建議。這本書揭示了豐富的，不那麼擁擠的，有時令人驚訝的研究需求領域，否則我將無法觸及。毫無疑問，在使用這種方法閱讀本書后，有望增加潛在讀者的思想知識。

我採用了一種獨特的方法，使本書的內容始終保持新鮮。這種方法取決於通過使用搜索傾聽工具來傾聽人們的思想。這種方法説明我：

準確地與讀者見面，這樣我就可以創建相關的內容，引起共鳴，並推動對主題的更多理解。

保持我的手指緊緊抓住脈搏，這樣當人們以新的方式談論這項新興技術時，我就可以獲得更新，並監控隨時間的變化趨勢。

發現隱藏的問題寶藏需要有關新興技術的答案，以發現意想不到的見解和隱藏的利基，從而提高內容的相關性並賦予其勝利優勢。

不要再把時間浪費在直覺上，不要猜測讀者想要的內容，用人們需要的東西填滿書的內容，告別基於猜測的無窮無盡的內容創意。

做出可靠的決策，減少風險，讓前排座位即時瞭解人們想要閱讀和想知道的內容，並使用搜索數據做出大膽的決定，包括哪些主題和要排除哪些主題。

簡化我的內容製作以識別內容創意，而無需手動篩選個人意見，從而節省數天甚至數周的時間。

通過回答他們的問題，幫助人們以直接的方式增加他們的知識，這真是太好了。

我認為這本書的寫作方法是獨一無二的，因為它整理並跟蹤讀者在搜尋引擎上提出的重要問題。

確認

寫一本書比我想像的更難，比我想像的更有收穫。如果沒有著名研究人員完成的工作，這一切都是不可能的，我要感謝他們為增加公眾對這項新興技術的瞭解所做的努力。

奉獻

對於開悟者，那些看待事物不同，並希望世界變得更好的人 - 他們不喜歡現狀或現有狀態。你可以過多地不同意他們，你可以與他們爭論得更多，但你不能忽視他們，你不能低估他們，因為他們總是會改變事情......他們推動人類前進，雖然有些人可能認為他們是瘋狂的人或業餘愛好者，但其他人認為天才和創新者，因為那些足夠開明的人認為他們可以改變世界，是那些這樣做的人，並帶領人們走向啟蒙。

碑文

矽烯是矽的二維同素異形體，具有類似於石墨烯的六角形蜂窩結構。與石墨烯相反，矽烯不是扁平的，而是具有週期性扣帶的拓撲結構;矽烯中的層間耦合比多層石墨烯強得多;矽烯的氧化形式，2D二氧化矽，具有與氧化石墨烯非常不同的化學結構。

目錄

矽烯

作者的其他書籍

作者系列

矽烯

版權

獎金

前言

介紹

確認

奉獻

碑文

目錄

第1章 矽烯

第2章 二維二氧化矽

第3章：硼吩

第4章 日耳曼人

第5章 斯坦尼

第6章 梅花

第7章 同素異形

第8章 矽

第9章 氧化石墨

結語

關於作者

即將推出

附錄：各行業的新興技術

第1章 矽烯

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在薄銀膜上生長的第一層（4×4）和第二層

（√3×√3

-β）的矽烯的STM圖像。影像尺寸 16×16 nm.

矽烯是一種二維矽同素異形體，具有與石墨烯相當的六方蜂窩結構。與石墨烯不同，矽烯具有規則的彎曲拓撲結構;矽烯中的層間連接明顯大於多層石墨烯;矽烯的氧化形式，2D二氧化矽，具有與氧化石墨烯非常不同的化學結構。

歷史

雖然理論家已經對獨立矽烯的存在和潛在特徵進行了理論化，但研究人員在2010年首次發現了矽烯樣矽晶體。他們探索了自組裝的矽烯納米帶和矽烯片，放置在銀晶體Ag（110）和Ag（111）上，使用掃描隧道顯微鏡具有原子解析度。這些照片顯示了類似於石墨烯的蜂窩結構中的六邊形，但是六邊形被證明起源於模仿六邊形的銀表面。使用密度泛函理論（DFT）進行的計算表明，矽原子傾向於在銀上構建這種蜂窩圖案，其曲率略高於類似石墨烯的排列。然而，這樣的模型不適用於Si /Ag（110）：在Si吸附后，Ag表面經歷了缺失行重建，並且觀察到的蜂窩結構是尖端偽影。

隨後在2013年發現了矽烯中的啞鈴重建，這解釋了Ag上層狀矽烯和矽烯是如何產生的。

矽烯場效應晶體管於2015年進行了測試。這擴大了二維矽在基礎科學研究和電子應用中的可能性。

與石墨烯的異同

矽和碳是相似的原子。它們在元素週期表的同一組中彼此上方和下方，並且都具有s² p²電子結構。矽烯和石墨烯的2D結構也非常相似，但兩者都有重要的區別。雖然兩者都形成六角形結構，但石墨烯是完全平坦的，而矽烯形成帶扣的六角形。其帶扣結構通過施加外部電場使矽烯具有可調的帶隙。矽烯的加氫反應比石墨烯的放熱反應更強。另一個區別是，由於矽的共價鍵沒有pi堆疊，矽烯不會聚集成石墨狀形式。與石墨烯的平面結構不同，矽烯中彎曲結構的形成歸因於由於緊密間隔的填充和空電子態之間的振動耦合而產生的強烈的偽Jahn-Teller變形。

矽烯和石墨烯的電結構相當。兩者都表現出狄拉克錐體和狄拉克點周圍的線性電色散。兩者都表現出量子自旋霍爾效應。兩者都應該具有攜帶電荷的無品質狄拉克費米子的性質，然而這僅被預測到矽烯並且沒有被觀察到，很可能是因為它只預計發生在尚未合成的獨立矽烯中。據認為，形成矽烯的基材對其電學特性有重大影響。

與石墨烯中的碳原子不同，矽原子傾向於採用sp³雜交，而不是矽烯中的sp²，這使得它在表面上具有高度的化學活性，並允許其電子狀態很容易通過化學功能化來調節。

與石墨烯相比，矽烯具有幾個顯著的優勢：（1）更強的自旋 - 軌道耦合，這可能導致在實驗可及的溫度下實現量子自旋霍爾效應，（2）更好的帶隙可調性，這是在室溫下工作的有效場效應晶體管（FET）所必需的，（3）更容易的谷極化和更大的谷電子學研究適用性。

帶隙

對矽烯的早期研究表明，矽烯結構內部的不同摻雜劑可用於控制帶隙。外延矽烯的帶隙最近被氧原子從零間隙改性為半導體型。具有可調帶隙的特定電氣元件可以定製，用於需要特定帶隙的應用。帶隙可以減小到0.1 eV，明顯小於傳統場效應晶體管（FET）中觀察到的帶隙（0.4 eV）。

需要鹼金屬摻雜劑來誘導矽烯中的n型摻雜。通過改變數量來調整帶隙。最大摻雜使帶隙擴大0.5eV。由於強摻雜，電源電壓也必須在30V左右。鹼金屬摻雜的矽烯只能製造n型半導體;目前的電子產品需要n型和p型結。為了製造發光二極體等器件，需要中性摻雜（i型）（LED）。LED 通過 p-i-n 結產生光。為了生產p型摻雜矽烯，必須添加不同的摻雜劑。銥（Ir）摻雜的矽烯允許形成對型矽烯。I型矽烯與鉑（Pt）摻雜是可行的。矽烯由於n型，p型和i型摻雜結構的組合而在電子產品中具有用途

傳統金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）中的功率耗散在處理納米電子學時會產生瓶頸。隧道場效應晶體管（TFET）可能成為傳統MOSFET的替代品，因為它們可以具有較小的亞閾值斜率和電源電壓，從而降低功耗。計算研究表明，基於矽烯的TFET優於傳統的矽基MOSFET。矽烯 TFET 的導通電流超過 1mA/μm，亞閾值斜率為 77 mV/十倍頻程，電源電壓為 1.7 V。隨著導通電流的大幅增加和電源電壓的降低，這些器件內的功耗遠低於傳統的MOSFET及其對等TIFET。

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一個矽烯六角形環的特寫，顯示帶扣結構。

性能

D矽烯不是完全平面的，環上有椅子狀的褶皺變形。這會導致有序的表面波紋。矽烷加氫成矽烷是一種放熱反應。這導致預測將矽烯轉化為矽烷（氫化矽烯）的過程可用於儲存氫氣。與石墨相比，石墨由通過分散力固定在一起的弱保持石墨烯層組成，矽烷中的層間耦合非常強。

矽烯六方結構的屈曲是由偽Jahn-Teller畸變（PJT）引起的。這是由於未佔用和佔用的分子軌道（UMO）（OMO）的高振動相互作用。這些軌道的能量足夠接近，導致矽烯高對稱結構變形。通過增加UMO和OMO之間的能量間隙，可以通過降低PJT失真來使帶扣結構變平。這可以透過插入鋰離子來實現。

除了可能與傳統半導體工藝相容之外， 矽烯 還具有在其邊緣不表現出氧反應性的優點。

2012年，幾個小組分別在Ag（111）表面發現了有序相。掃描隧道光譜和角度分辨光發射光譜（ARPES）測量的結果似乎表明，矽烯將具有與石墨烯相似的電子特性，即類似於布里淵帶K點的相對論狄拉克費米子的電子色散，但這種解釋後來受到爭議，並被證明是由於基底帶。使用能帶展開技術解釋ARPES結果，該技術揭示了觀察到的線性色散的底物起源。

除了銀，據報導矽烯生長在ZrB2和銥上。理論研究預測，矽烯作為蜂窩結構單層（具有類似於在4x4 Ag（111）表面上觀察到的結合能）在Al（111）表面上是穩定的，並且具有一種稱為多邊形矽烯的新形式，其結構由3-，4-，5-和6面多邊形組成。

Ag和Si之間的p-d雜交機理對於穩定近乎平坦的矽團簇以及Ag襯底對矽烯生長的有效性具有重要意義，DFT計算和分子動力學模擬解釋了這一點。Ag（111）上外延4×4矽烯獨特的雜交電子結構決定了矽烯表面的高度化學反應性，通過掃描隧穿顯微鏡和角度分辨光發射光譜揭示了這一點。Si和Ag之間的雜交導致金屬表面狀態，由於氧吸附，金屬表面狀態會逐漸衰減。X射線光發射光譜證實了氧處理后Si-Ag鍵的解耦以及Ag（111）表面的相對耐氧性，與4×4矽烯相反[相對於Ag（111）]。

官能化矽烯

對功能化矽烯的研究已經有效地創造了有機化學化的矽烯- 用苯環功能化的無氧矽烯片。這種類型的功能化允許結構在有機溶劑中的均勻分散，並表明各種新的功能化矽系統的可能性，包括有機矽納米片。

矽烯晶體管

自2014年以來，美國陸軍研究實驗室一直支援矽烯研究。研究活動的既定目標是檢查原子尺寸化合物，如矽烯，其性能和功能超出了現有材料（如石墨烯）的性能和功能。Deji Akinwande領導德克薩斯大學奧斯丁分校的研究人員與義大利CNR的Alessandro Molle小組和美國陸軍研究實驗室合作，發現了一種在空氣中穩定矽烯的方法，並在2015年報告了一種功能性矽烯場效應晶體管器件。工作晶體管的材料必須包含帶隙，並且如果電子遷移率高，則性能更高效。帶隙是沒有電子的材料中價帶和導帶之間的空間。儘管石墨烯具有很大的電子遷移率，但在材料中產生帶隙的過程會減少其其他幾個電勢。

因此，已經有人研究使用石墨烯類似物，如矽烯，作為場效應晶體管。儘管矽烯的自然狀態也具有零帶隙，但Akinwande和Molle及其同事與美國陸軍研究實驗室合作開發了一種矽烯晶體管。他們設計了一種稱為「矽烯用天然電極封裝分層」（SEDNE）的工藝，以克服矽烯在空氣中的不穩定性。由此產生的穩定性據稱是由於Si-Ag的p-d雜交。他們通過外延在一層Ag的頂部長出一層矽烯，並用氧化鋁（Al2O3）覆蓋兩者。將矽烯，Ag和Al2O3在室溫下真空中儲存，並在兩個月的跟蹤時間內進行觀察。該樣品接受了拉曼光譜檢查，以檢查是否有降解跡象，但沒有發現任何跡象。然後將這種複雜的堆疊放置在SiO2基板上，Ag朝上。將Ag從中間的薄條中除去，以顯示矽烯通道。基板上的矽烯通道在暴露於空氣中時具有兩分鐘的壽命，直到它失去了其標誌性的拉曼光譜。據報導，帶隙約為210 meV。襯底對矽烯的影響，在形成帶隙時，可以通過晶界的散射和聲學聲子的有限傳輸以及矽烯與基底之間的對稱性斷裂和雜交效應來解釋。聲聲子描述兩種或多種類型的原子從晶格結構中的平衡位置的同步運動。

{第1章完結}

See also

2D silica

Borophene

Germanene

Stanene

Plumbene

References

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