Focus

Formazione di nanotunnel sotto una superficie semiconduttrice a seguito di adsorbimento di idrogeno

Uno dei passi decisivi per lo sviluppo di nanotecnologie consiste nella capacità di progettare e fabbricare nano-oggetti a bassa dimensionalità (punti quantici, nanofili, film bidimensionali di spessore atomico o sistemi tridimensionali nano-porosi) su superfici di semiconduttori. Il carburo di silicio (SiC) ne è un interessante esempio per le sue proprietà termomeccaniche, elettroniche, chimiche e strutturali, come pure per la sua notevole biocompatibilità. Si presta quindi ad una vasta gamma di applicazioni avanzate, tra cui dispositivi elettronici e sensori operanti ad alta potenza, frequenza o temperatura, oltre che ad applicazioni biomediche. Inoltre è un substrato particolarmente adatto per la crescita epitassiale del grafene, con conseguenti promettenti applicazioni in nano-elettronica e spintronica. La geometria superficiale del SiC è determinata da un delicato equilibrio che porta ad oltre 10 ricostruzioni superficiali diverse, caratterizzate da un arricchimento più o meno forte in Si o C e aventi differenti configurazioni atomiche, reattività chimica e struttura elettronica. L'adsorbimento di idrogeno/deuterio (H/D) sulla ricostruzione 3C-SiC(001)-3x2 (ricca in Si) comporta, ad esempio, la metallizzazione della superficie [1]. Finora, non si era riusciti a nanostrutturare il SiC creando vuoti o nano-cavità nella zona immediatamente subsuperficiale. Questo risultato era in effetti stato ottenuto solo per le superfici di altri materiali, generando strutture disordinate e soprattutto su scala micrometrica piuttosto che nanometrica. Il nostro lavoro [2] dimostra pertanto per la prima volta sia la possibilità di produrre matrici ordinate di nanocavità (nanotunnels) sul SiC.

Tale effetto è indotto dall'interazione di H/D con la superficie e dimostrato confrontando esperimenti di fotoemissione con luce di sincrotrone e di spettroscopia vibrazionale e modelli teorici. La corrugazione degli strati sub-superficiali di Si indotta da adsorbimento di H/D segna il passaggio fondamentale per l'apertura dei nanotunnels. A seconda del ricoprimento di H/D, essi risultano metallici o semiconduttori. Ciò è dimostrato sia dal calcolo della densità degli stati elettronici che, sperimentalmente, dagli spettri di fotoemissione (misurati presso la linea TEMPO del sincrotrone SOLEIL) e vibrazionali (acquisiti presso il laboratorio congiunto IMEM-CNR e Università di Genova).

Le cavità nei nanotunnel sono promettenti per lo stoccaggio di atomi o molecole che potrebbero essere rilasciati in seguito in maniera controllata. Comprendere e controllare tale meccanismo apre prospettive per la funzionalizzazione selettiva della superficie del SiC per applicazioni avanzate in nanoelettronica, chimica, sensoristica e biotecnologie.
P. Soukiassian, E. Wimmer, E. Celasco, C. Giallombardo, S. Bonanni, L. Vattuone, L. Savio, A. Tejeda, M. Silly, M. D'angelo, F. Sirotti, M. Rocca, Nature Communications 4, 2800 doi: 10.1038/ncomms3800 (2013)



1 - V. Derycke, P. Soukiassian, F. Amy, Y.J. Chabal, M. D'angelo, H. Enriquez, M. Silly
Nanochemistry at the atomic scale revealed in H-induced semiconductor surface metallization,
Nature Materials 2, 253 (2003)
2 - P. Soukiassian, E. Wimmer, E. Celasco, C. Giallombardo, S. Bonanni, L. Vattuone, L. Savio, A. Tejeda, M. Silly, M. D'angelo, F. Sirotti, M. Rocca, Hydrogen-induced nanotunnel opening within semiconductor subsurface, Nature Communications 4, 2800 (2013), doi: 10.1038/ncomms3800 .

o Istituto Materiali per Elettronica e Magnetismo - CNR, Via Dodecaneso 33, 16146 Genova, Italy
o Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives, 91191 Gif sur Yvette, France
o Synchrotron SOLEIL, L'Orme des Merisiers, Saint-Aubin, 91192 Gif sur Yvette, France
o Materials Design Inc., Santa Fe, NM 87501, USA & Materials Design Sarl., 92120 Montrouge,
France
o Università di Genova, Via Dodecaneso 33, 16146 Genova, Italy
o Institut Jean Lamour, CNRS-Université de Lorraine, 54506 Vandoeuvre les Nancy, France.
o Institut des NanoSciences Paris, CNRS-Université Pierre et Marie Curie, 75251 Paris, France.

Immagini: