Il silicene rappresenta una forma allotropica bidimensionale del silicio, caratterizzata da una struttura a nido d’ape in cui gli atomi di silicio mostrano un’ibridazione sp2 e sp3. Questo materiale si distingue dal grafene, poiché mentre quest’ultimo mantiene una configurazione planar, il silicene presenta un’instabilità dovuta alla sua struttura non planare. Questo aspetto di planarità è cruciale per garantire una stabilità adeguata e per facilitare la coniugazione degli elettroni π. Il silicene, similmente al grafene, adotta un modello esagonale costituito da atomi, ma gli anelli esagonali risultano distorti a causa della configurazione a “sedia”.
Caratteristiche e vantaggi del silicene
Il grafene, nonostante le sue molteplici caratteristiche affascinanti, presenta alcune limitazioni, come l’alto costo e la mancanza di tecniche di produzione commerciale economiche. Di conseguenza, è stata impiegata la ricerca di materiali bidimensionali utilizzando elementi appartenenti ai gruppi 13, 14 e 15, escluso il carbonio. Tra questi, ritroviamo il fosforene, il boronene e naturalmente il silicene, i quali hanno suscitato un notevole interesse grazie alle loro uniche proprietà e all’elevata superficie specifica.
Come materiale emergente, il silicene offre opportunità interessanti in vari settori, spaziando dalla scienza elettronica alla biomedicina, grazie alle sue elevate proprietà, quali un’area superficiale specifica notevole, straordinarie caratteristiche ottiche, uniche proprietà elettroniche, biocompatibilità e biodegradabilità.
Preparazione del silicene
A differenza del grafene, il silicene non si presta al metodo di esfoliazione diretta. Pertanto, l’epitassia da fasci molecolari rappresenta la principale tecnica di produzione, che consiste nella deposizione di strati sottili di materiale cristallino su un substrato massivo cristallino, il quale guida la crescita e determina le proprietà strutturali del silicene.
Le strategie sintetiche per ottenere il silicene includono l’uso di sali fusi trattati termicamente in presenza di stagno, formando un materiale di silicene intercalato con calcio. Inoltre, è stato mostrato che un trattamento chimico del siliciuro di calcio consente di rimuovere gli atomi di calcio dai cristalli, aprendosi così a vari processi di elaborazione.
Un metodo innovativo di sintesi diretta impiega la deposizione laser pulsata (PLD), che consiste in un raggio laser ad alta potenza focalizzato all’interno di una camera a vuoto, colpendo il materiale da depositare. Attraverso questa tecnica, è stato dimostrato che un cristallo di silicene può crescere rapidamente sotto un fascio di elettroni coerenti irradiato su un film di silicio amorfo.
Proprietà uniche del silicene
Il silicene, come molti materiali bidimensionali a elevata conduttività elettrica, è tra i pochi materiali a possedere coni di Dirac, fenomeno che si verifica in alcune strutture elettroniche e descrive proprietà di trasporto particolari. Qui, la banda di valenza e quella di conduzione si dispongono a forma di coni, intersecandosi in punti noti come punti di Dirac.
Esso presenta anche l’effetto Hall quantistico di spin, dove gli spin degli elettroni tendono a polarizzarsi lungo una direzione specifica, specialmente in conduttori con geometria piana. Sebbene il silicene mantenga eccellenti proprietà elettroniche analoghe a quelle del grafene, vanta un accoppiamento spin-orbitale più marcato, e possiede quindi il potenziale per sfruttare appieno l’effetto Hall quantistico di spin.
Un ulteriore aspetto distintivo del silicene è il gap di banda zero, con la possibilità di regolare le bande di conduzione e di valenza. Grazie ai legami ibridati sp3, la sua superficie chimica è altamente reattiva, consentendo l’aggiunta di diversi atomi per ottenere proprietà elettroniche sintonizzabili, trasformandolo in un materiale semimetallico o semiconduttore a seconda delle necessità.
Le proprietà magnetiche del silicene possono essere ulteriormente amplificate attraverso il drogaggio, trasformandolo in un semiconduttore ferromagnetico o introducendo un ordinamento magnetico variabile, da ferromagnetico ad antiferromagnetico. Nonostante la sua natura isolante termicamente, il silicene può mantenere stabilità fino a 1500 K.
Applicazioni promettenti
Le straordinarie proprietà del silicene lo rendono ideale per una vasta gamma di applicazioni, tra cui sensori chimici, dispositivi elettronici, supercondensatori di nuova generazione e materiali anodici per batterie a ioni di litio.
Questa forma di silicio può essere impiegata nei transistor a effetto di campo, utilizzati ampliamente nell’elettronica digitale e analogica per controllare il flusso di corrente attraverso un canale semiconduttore. Viene anche utilizzato in membrane flessibili, che fungono da barriere semipermeabili essenziali per il trattamento delle acque e per applicazioni nell’ingegneria biomedica.
La ricerca sulle applicazioni biomediche del silicene ha dimostrato promettenti risultati, suggerendo che, oltre a mantenere i vantaggi dei tradizionali biomateriali a base di silicio, riesce a offrire biodegradabilità e proprietà ottiche avanzate, rendendolo adatto per sviluppare bionanomateriali multifunzionali e innovativi.
In sintesi, il silicene si distingue per le sue prestazioni ottiche superiori rispetto ad altri materiali come il silicio poroso, suggerendo una grande potenzialità nell’ambito delle tecnologie biomediche avanzate.
