::: reklama@pbprog.kz
::: editor@pbprog.kz
::: webmaster@pbprog.kz
Ученые создали глафен — двумерный гибридный материал для электроники нового поколения, объединяющий графен и кварцевое стекло
Некоторые из наиболее перспективных материалов для технологий будущего имеют толщину всего в один атом, например графен — слой атомов углерода, расположенных в гексагональной решётке, который ценится за свою исключительную прочность и проводимость. Несмотря на то, что существуют сотни таких материалов, их объединение в нечто новое остаётся сложной задачей. В большинстве случаев эти атомарно-тонкие слои просто укладываются друг на друга, как колода карт, но между слоями, как правило, отсутствует значимое взаимодействие.
Международная группа исследователей во главе с материаловедами Университета Райса преуспела в создании настоящего 2D—гибрида путем химической интеграции двух принципиально разных 2D—материалов — графена и кварцевого стекла- в единое стабильное соединение под названием глафен.
«Слои не просто накладываются друг на друга; электроны перемещаются и образуют новые взаимодействия и колебательные состояния, в результате чего появляются свойства, которых нет ни у одного из материалов по отдельности», — сказал Сатвик Айенгар, аспирант Университета Райса и первый автор исследования. Что ещё более важно, как объяснил Айенгар, этот метод можно применять к широкому спектру двумерных материалов, что позволяет создавать дизайнерские двумерные гибриды для электроники нового поколения, фотоники и квантовых устройств. «Это открывает возможности для создания совершенно новых классов двумерных материалов — например, металлов с изоляторами или магнитов с полупроводниками — для создания материалов по индивидуальному заказу с нуля», — сказал Айенгар.
Команда разработала двухэтапный метод выращивания глафена с использованием жидкого химического прекурсора, содержащего кремний и углерод. Регулируя уровень кислорода во время нагревания, они сначала вырастили графен, а затем изменили условия, чтобы способствовать образованию слоя диоксида кремния. Для этого потребовался специальный аппарат для работы при высоких температурах и низком давлении, разработанный в течение нескольких месяцев в сотрудничестве с Анчалом Шриваставой, приглашённым профессором из университета Банарас в Индии.
«Именно эта установка сделала синтез возможным, — сказал Айенгар. — Полученный материал представляет собой настоящий гибрид с новыми электронными и структурными свойствами».
После того как материал был синтезирован, команда Райса вместе с Маноджем Трипати и Аланом Далтоном из Университета Сассекса занялась подтверждением его структуры. Одним из первых признаков того, что глафен был чем-то новым, стала аномалия. Когда команда проанализировала материал с помощью рамановской спектроскопии — метода, который определяет, как вибрируют атомы, измеряя едва заметные сдвиги в рассеянном лазерном свете, — они обнаружили сигналы, которые не соответствовали ни графену, ни кремнезёму. Эти неожиданные особенности колебаний указывали на более глубокое взаимодействие между слоями.
В большинстве многослойных материалов слои просто лежат на месте, слабо удерживаемые вместе, как магниты на дверце холодильника. Но в графене слои скрепляются гораздо прочнее, чем так называемые слабые ван-дер-ваальсовы связи, что позволяет электронам перемещаться между ними и приводит к совершенно новому поведению. Для дальнейшего изучения Айенгар обратился к Маркос Пимента, эксперту по спектроскопии из Бразилии. В конечном итоге аномалия оказалась артефактом, что, по словам Айенгара, является важным напоминанием о том, что даже к воспроизводимым результатам следует относиться с осторожностью.
Чтобы лучше понять, как ведут себя связанные слои на атомном уровне, команда в сотрудничестве с Винсентом Менье из Университета штата Пенсильвания проверила экспериментальные результаты с помощью квантового моделирования. Это подтвердило, что слои графена и диоксида кремния взаимодействуют и связываются уникальным образом, частично разделяя электроны на границе раздела. Такое гибридное связывание меняет структуру и поведение материала, превращая его в новый тип полупроводника.