محاسبه ساختار نواری تک‌لایه سیلیسین با روش بستگی قوی برای کاربرد در سامانه‌های الکترونیکی هوافضا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک ماده چگال، دانشکده علوم پایه، دانشگاه ملایر، ملایر، ایران

2 گروه فیزیک ماده چگال، دانشکده فیزیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده
سیلیسین یک دگرشکل دوبعدی سیلیسیم با ساختار شش‌ضلعی لانه‌زنبوری مانند گرافن ( دگرشکل دوبعدی کربن) است. کاربردهای گسترده گرافن در ساخت کامپوزیت‌های سبک و مقاوم، پوشش‌های محافظ، سامانه‌های الکترونیکی پیشرفته، به دلیل رفتار برجسته‌ی الکترونیکی و ساختاری آن در صنایع هوافضا، مسیر پژوهش‌های علمی را به سمت بررسی رفتار‌ موادی با ساختار دوبعدی مشابه گرافن نظیر سیلیسین را هموار نموده است. با توجه به اهمیت روزافزون مواد با ساختار دوبعدی در فناوری‌های پیشرفته، درک رفتار الکترونی این مواد از طریق محاسبات کوانتومی مانند روش بستگی قوی ، ضروری است. این پژوهش بر اصلاح پارامترهای روشTB و محاسبه ساختار نواری سیلیسین تک‌لایه در مسیرهای با تقارن بالا K-Γ-M-K تمرکز دارد. یک هامیلتونی مبتنی بر روشTB برای سیلیسین تک‌لایه با استفاده از کدنویسی در متلب توسعه داده شد. محاسبات اصلاح‌شده ما یک یافته کلیدی را نشان می‌دهد: در نقطهΓ انرژی نوار پنجم1.705(eV) پایین‌تر از انرژی نوار چهارم 2.013(eV) است. این ترتیب نواری، اختلافی قابل توجه با نتایج روشab-initio نشان می‌دهد که روند معکوسی را گزارش می‌کنند و حساسیت پیش‌بینی‌های روشTB به پارامترسازی را برجسته می‌سازد. پس از برطرف کردن این عدم تطابق، نوارهای πو π^* به‌صورت خطی در سطح فرمی متقاطع می‌شوند، ویژگی‌ای که برای تشکیل مخروط دیراک و کاربردهای الکترونیکی فرکانس بالا حیاتی است. این یافته‌ها یک مدل محاسباتی دقیق‌تر برای سیلیسین ارائه می‌دهند که برای ادغام مؤثر آن در سامانه‌های الکترونیکی پیشرفته نظامی و هوافضا ضروری است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Band Structure Calculation of Monolayer Silicene Using the Tight-Binding Method for Applications in Aerospace Electronic Systems

نویسندگان English

Davood korzebor 1
Nader Ghobadi 1
Ali Soltani Vala 2
1 Condensed matter physics Faculty of science. university of malayer of malayer Iran.
2 condensed matter physics, Faculty of Physics, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده English

Silicene is a two-dimensional form of silicon with a hexagonal honeycomb structure similar to graphene (a two-dimensional form of carbon). The widespread applications of graphene in the manufacture of lightweight and durable composites, protective coatings, and advanced electronic systems, due to its outstanding electronic and structural behavior in the aerospace industry, have paved the way for scientific research to investigate the behavior of materials with a two-dimensional structure similar to graphene, such as silicene. With the increasing importance of two-dimensional structured materials in advanced technologies, understanding their electronic behavior through quantum calculations such as the Tight-Binding (TB) method is essential. This research focuses on refining the TB method parameters and calculating the band structure of single-layer silicene along the high-symmetry paths K-Γ-M-K. A TB-based Hamiltonian for single-layer silicene was developed using MATLAB coding. Our refined calculations reveal a key finding: at the Γ point, the fifth band energy 1.705 eV lies below the fourth band energy 2.013 eV. This band ordering presents a significant deviation from ab-initio method results, which report an inverse trend, highlighting the sensitivity of TB method predictions to parameterization. After resolving this mismatch, the π and π* bands linearly intersect at the Fermi level, a characteristic crucial for Dirac cone formation and high-frequency electronic applications. These findings provide a more accurate computational model for silicene, essential for its effective integration into advanced military and aerospace electronic systems.

کلیدواژه‌ها English

tight binding method
tight binding parameters
silicene crystal
non buckling
Aerospace Electronic Systems
[1] Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V., Jiang, D. E., Zhang, Y., Dubonos, S. V., ... & Firsov, A. A. (2004). Electric field effect in atomically thin carbon films. science306(5696), 666-669.
[2] Jose, D., & Datta, A. (2014). Structures and chemical properties of silicene: unlike graphene. Accounts of chemical research47(2), 593-602.
[3] Khan, U., Saeed, M. U., Elansary, H. O., Moussa, I. M., Bacha, A. U. R., & Saeed, Y. (2024). A DFT study of bandgap tuning in chloro-fluoro silicene. RSC advances14(7), 4844-4852.
[4] Geim, A. K., & Novoselov, K. S. (2007). The rise of graphene. Nature materials6(3), 183-191.
[5] Yu, P. Y., & Cardona, M. (2005). Tight-binding or LCAO approach to the band structure of semiconductors. Fundamentals of Semiconductors, 3rd Edn., 68-71.
[6] Guzmán-Verri, G. G., & Lew Yan Voon, L. C. (2007). Electronic structure of silicon-based nanostructures. Physical Review B—Condensed Matter and Materials Physics76(7), 075131.
[7] CNT, C. (2009). Energy Bands in Graphene: Tight Binding and the Nearly Free Electron Approach.
[8] Zólyomi, V., Drummond, N. D., Wallbank, J. R., & Fal’ko, V. I. (2018). Density-functional and tight-binding theory of silicene and silicane. In Silicene: Prediction, Synthesis, Application (pp. 23-41). Cham: Springer International Publishing.
[9] Slater, J. C., & Koster, G. F. (1954). Simplified LCAO method for the periodic potential problem. Physical Review, 94(6), 1498. 
[10] Cahangirov, S., Topsakal, M., Aktürk, E., Şahin, H., & Ciraci, S. "Two-and one-dimensional honeycomb structures of silicon and germanium"Physical review letters102(23) (2009).
[11] Ni, Z., Liu, Q., Tang, K., Zheng, J., Zhou, J., Qin, R., & Lu, J. (2012). Tunable bandgap in silicene and germanene. Nano letters12(1), 113-118.
 
[12] Molle, A., Grazianetti, C., Tao, L., Taneja, D., Alam, M. H., & Akinwande, D. (2018). Silicene, silicene derivatives, and their device applications. Chemical Society Reviews, 47(16), 6370-6387.
 
[13] Drissi, L. B., Ouarrad, H., Ramadan, F. Z., & Fritzsche, W. (2020). Graphene and silicene quantum dots for nanomedical diagnostics. RSC advances10(2), 801-811.
 
[14] Ali, J., Ali, S., Ullah, K., ur Rashid, A., Hadi, F., & Uddin, S. (2025). Preparation of Silicene and Silicene Derivatives for Optoelectronic Devices Applications. In Layered Nanomaterials for Solution-Processed Optoelectronics (pp. 160-194). CRC Press.
 
[15] Tene, T., Guevara, M., Borja, M., Mendoza Salazar, M. J., Palacios Robalino, M. D. L., Vacacela Gomez, C., & Bellucci, S. (2023). Modeling semiconducting silicene nanostrips: Electronics and THz plasmons. Frontiers in Physics11, 1198214.
 
[16] Yu, S., Tang, J., Wang, Y., Xu, F., Li, X., & Wang, X. (2022). Recent advances in two-dimensional ferromagnetism: strain-, doping-, structural-and electric field-engineering toward spintronic applications. Science and technology of advanced materials23(1), 140-160.
 
[17] Ghosal, S., Bandyopadhyay, A., Chowdhury, S., & Jana, D. (2023). A review on transport characteristics and bio-sensing applications of silicene. Reports on Progress in Physics86(9), 096502.
 
[18] Tang, H., Cai, Z., Tang, M., Yu, N., Shi, W., Ma, L., ... & Zhang, G. (2026). Multiscale Modeling Techniques in the Study of 2-Dimensional Materials under Ionizing Radiation. Space: Science & Technology6, 0403.
 
[19] Lü, X. L., Zhang, Y. C., Fu, P. H., & Liu, J. F. (2024). Phase diagrams and topological mixed edge states in silicene with intrinsic and extrinsic Rashba effects. Physical Review Research6(4), 043108.
 
[20] Ramasamy, A., Mohanraj, H. R., Thiruvadigal, J. D., & Shah, K. A. (2025). Silicene and its derivatives: Structure, properties, modifications, and emerging applications. Nanoelectronics, 122-146.
 
[21] Ponomarenko, V. P., Popov, V. S., & Popov, S. V. (2022). 2D Structures Based Field-Effect Transistors. Journal of Communications Technology and Electronics67(9), 1134-1151.
 
[22] Akinwande, D., Huyghebaert, C., Wang, C. H., Serna, M. I., Goossens, S., Li, L. J., ... & Koppens, F. H. (2019). Graphene and two-dimensional materials for silicon technology. Nature573(7775), 507-518.
 
[23] Moradi, S. A. H., & Ghobadi, N. (2024). Fabrication of composite GO/NiFe2O4MnFe2O4CoFe2O4 anode material: Toward high performance hybrid supercapacitors. Microscopy Research and Technique87(10), 2459-2474..
[24] Nanakar, Hassan, Hosseni Moradi, Seyed ali, & Nazirzadeh, Mehdi. (2020). Application of quantum technology in radars. IRANIAN JOURNAL OF RADIATION SAFETY AND MEASUREMENT, 8(2 (supplement) ), 67-77. SID. https://sid.ir/paper/381356/en
[25]Alborznia,H. and Hosseini Moradi,S. A. (2025). Calculation of Reflection Coefficient of Radar Absorbing Composite Lattice Grids Using Silica and Carbon Nanofibers. Aerospace Defense4(1), 121-129.
[26]Seyed Ali Hosseini Moradi, Nader Ghobadi, Sajad Esfandyari, Reza Daqiq,Enhanced spin-transfer torque in asymmetric superlattice magnetic tunnel junctions with engineered barrier profiles,Journal of Magnetism and Magnetic Materials,Volume 629,2025,
[27]Seyed Ali Hosseini Moradi, Nader Ghobadi, Seyed Milad Tabatabaeinejed,Sonochemical assisted auto-combustion synthesis of NiCo2O4/NiO/rGO nanocomposite and examination of photocatalytic ability for antibiotics photo-degradation,Materials Science in Semiconductor Processing,Volume 193,
[28]GHOBADI, N., Hosseini Moradi, S.A., & AMIRZADE, M.. (2022). SYNTHESIS AND STRUCTURAL, MAGNETIC, AND ELECTROMAGNETIC CHARACTERIZATION OF COBALT FERRITE / REDUCED GRAPHENE OXIDE COMPOSITE. ADVANCED MATERIALS IN ENGINEERING (ESTEGHLAL), 40(4 ), 69-83. SID. https://sid.ir/paper/1042817/en
[29] Chen, M. X., Zhong, Z., & Weinert, M. (2016). Designing substrates for silicene and germanene: First-principles calculations. Physical Review B94(7), 075409.
دوره 4، شماره 4
زمستان 1404
صفحه 98-115

  • تاریخ دریافت 06 تیر 1403
  • تاریخ بازنگری 02 خرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 06 خرداد 1405