Отримано двовимірний матеріал з кристалічною решіткою з п'ятикутників • Аркадій Курамшин • Новини науки на "Елементи" • Матеріалознавство, Хімія

Отримано двовимірний матеріал з кристалічною решіткою з п'ятикутників

Мал. 1. Кристалографічна структура складчастих двовимірних матеріалів – фосфор (а) І селеніду паладію (b). Малюнок з обговорюваної статті вJACS

Дослідники з США отримали двовимірну форму селеніду паладію, в якій атоми паладію і селену формують малюнок з п'ятикутників. Настільки незвичайна будова надає нового матеріалу цікаві електронні властивості, схожі з властивостями інших несиметричних двовимірних напівпровідників, а його стійкість до кисню повітря дозволяє сподіватися на можливість його практичного застосування в двовимірної електроніці.

У 2004 році був отриманий перший зразок графена, а в 2010 році за подальше вивчення цієї двовимірної аллотропной модифікації вуглецю Андрію Гейм і Костянтину Новосьолова була присуджена Нобелівська премія з фізики. З тих пір роботи в області отримання та дослідження нових двовимірних кристалічних матеріалів розвиваються досить активно. Слід зазначити, що в контексті робіт, присвячених графену і його "родичів" – фосфорену, сіліцену і ін., Терміни "двовимірні матеріали", "двовимірні кристали" або навіть "плоскі матеріали" відображають той факт, що ці матеріали являють собою складається з атомів моношар, відокремлений від тривимірного кристала.Таким чином, "двовимірний" або "плоский" означає, що товщина двовимірних матеріалів багато менше їх розмірів в площині, але при цьому сам моношар зовсім не обов'язково буде "плоским": фосфор, наприклад, характеризується гофровані-складчастою структурою, в якій частина атомів знаходиться вище умовної площини, а частина – нижче (рис. 1).

Мода на двовимірні матеріали пояснюється тим, що 2D-шари, отримані з простих речовин і сполук, найчастіше мають властивості, які не характерні для породили їх матеріалів. Так, графен привернув вчених в першу чергу завдяки високій провідності і великій швидкості перенесення зарядів, що робить його ідеальним провідником для двовимірних електронних пристроїв. Однак для створення таких електронних пристроїв крім провідників потрібні і напівпровідники, і ізолятори – тобто матеріали, що характеризуються наявністю забороненої зони. Ширина забороненої зони відповідає мінімальній енергії (вираженої в еВ), необхідної для того, щоб перемістити електрон із зв'язаного стану у вільний, в якому він може брати участь у провідності.

У провідників заборонена зона відсутня: вони відразу мають носіями заряду.Якщо ширина забороненої зони матеріалу більше 4-5 еВ, в ньому неможливо отримати носії заряду, і такий матеріал відносять до діелектриків. У напівпровідників, які потрібні для створення електронних логічних елементів – діодів і транзисторів, ширина забороненої зони зазвичай становить 0,1-2 еВ, і чим в більш широких межах змінюється ширина забороненої зони напівпровідника, тим, як правило, для більшої кількості різних логічних схем і пристроїв він може застосовуватися.

Змінювати ширину забороненої зони напівпровідника можна різними шляхами. Так, в напівпровідники, що застосовуються у вигляді кристалів, зазвичай вводять легуючі добавки, що збільшують кількість переносників заряду – електронів або дірок, а в шаруватих напівпровідниках в ряді випадків дає змогу зменшити кількість шарів. До теперішнього часу матеріалом, в якому ширина забороненої зони за рахунок зміни кількості шарів могла змінюватися в найширших межах, був чорний фосфор: від 0,3 еВ в кристалі до 1,5 еВ в його двовимірної модифікації – фосфорене. Це властивість уже було використано при отриманні з фосфором перших працюють прототипів польових транзисторів (L.Li et al., 2014. Black phosphorus field-effect transistors).

Для створення стабільно працюючих електронних пристроїв стійкість матеріалу до дії кисню і вологи повітря є не менш важливою властивістю, ніж ширина забороненої зони матеріалу, але для самого стійкого і поки найперспективнішого з відомих до теперішнього часу напівпровідникових двовимірних матеріалів – двовимірного дисульфіду молібдену (2D-MoS2) – ширина забороненої зони знаходиться в діапазоні між ~1,2 еВ, (тривимірний кристал) і 1,9 еВ (двовимірний кристал). Тепер у цього матеріалу є серйозний конкурент – селенід паладію (PdSe2).

Дослідники з групи Кая Сяо (Kai Xiao) з Окриджської національної лабораторії (Теннессі, США) спочатку отримали кристали селеніду паладію PdSe2. Для цього вони повільно нагрівали паладій і селен, взяті в співвідношенні один до шести, до 850 ° C, витримували їх при цій температурі 50 годин, потім охолоджували до 450 ° C зі швидкістю 3 ° C / год і, нарешті, повільно охолоджували до кімнатної температури. Автори не пояснюють, як вони прийшли до такого алгоритму вирощування кристалів. В результаті були отримані кристалічні пластинки товщиною 4 мм. Від них за допомогою мікромеханічними ексфоліаціі (методу пошарового розподілу кристала за допомогою клейкої стрічки, аналогічного тому,який був використаний для отримання графена) відокремлювали двовимірні фрагменти селеніду паладію, які переносили на підкладку з діоксиду кремнію і вивчали за допомогою електронної мікроскопії (рис. 2).

Мал. 2. Результати дослідження верхнього (a, c) І лежачого під ним (b, d) Шарів кристалу діселеніда паладію за допомогою скануючої просвічує електронної мікроскопії (верхній ряд) І відповідні їм змодельовані зображення (нижній ряд). кульками на зображеннях c і d показано розташування атомів: жовтим кольором позначений селен, кольором хакі – атоми паладію (на зображенні d червоні точки вказують, що атоми паладію розташовані вище площині атомів селену). Малюнок з обговорюваної статті в JACS

Незвичайне п'ятикутне розташування атомів в матеріалі було доведено за допомогою скануючої просвічує електронної мікроскопії з атомним дозволом. Для цього вивчали як "відлущені" від кристала моношарова фрагменти діселеніда паладію, так і кристали PdSe2 (Правда, що складаються з невеликої кількості шарів, рис. 2), порівнюючи експериментальні дані зі змодельованими результатами просвічує електронної мікроскопії.Виявилося, що в проекції на площину кристала зв'язку між атомами утворюють каїрської п'ятикутну мозаїку (рис. 3, см. Cairo pentagonal tiling)

Мал. 3. Вид згори і вид збоку на кристалічну структуру селеніду паладію PdSe2. Двовимірний кристал діселеніда паладію відрізняється гофровані-складчастою структурою. Атоми паладію позначені сірими сферами, Атоми селену – жовтими. пунктирний квадрат вказує на межі елементарної комірки. Висота вертикальної складки δ становить близько 1,6 Å. Малюнок з обговорюваної статті в JACS

На даний момент 2D-PdSe2 є першим і єдиним штучним матеріалом, в якому складові елементи розташовані в вершинах п'ятикутників. Раніше на підставі результатів теоретичних розрахунків було передвіщено, що можливе існування лише невеликого числа "п'ятикутних" 2D-матеріалів, в першу чергу – діхалькогенідов олова SnX2 (X = S, Se або Te), від яких на підставі тих же теоретичних викладок очікувалося прояв діелектричних властивостей (Y. Ma et al., 2016. Room temperature quantum spin Hall states in two-dimensional crystals composed of pentagonal rings and their quantum wells).

Двовимірний селенид паладію PdSe2 проявляє властивості напівпровідника. Дослідники з групи Сяо виміряли ширину забороненої зони його різних форм, комбінуючи експериментальні результати,отримані за допомогою оптичної спектроскопії, і дані Квантовохімічні розрахунків, проведених із залученням теорії функціонала щільності. Було виявлено, що у кристалічній форми ширина забороненої зони становить 0 еВ, а у двовимірних шарів PdSe2 вона дорівнює 1,3 еВ. Виходить, що змінювати ширину забороненої зони можна, змінюючи кількість шарів (тобто так само, як у чорного фосфору). При цьому відкриваються бпрольшие можливості по налаштуванню властивостей електронних компонентів з PdSe2 в порівнянні з MoS2. Ширина забороненої зони двовимірного PdSe2 близька до значень цього параметра у класичних напівпровідників (для германію і кремнію ця енергія дорівнює 0,72 еВ і 1,12 еВ відповідно), що, в перспективі, може зробити його корисним для створення логічних пристроїв, досить легко сумісних з кремнієвими і германієвими напівпровідниками .

Важливо й те, що двовимірний діселеніда паладію стійкий на повітрі при кімнатній температурі, – це підвищує ймовірність його застосування на практиці. Але в кінцевому підсумку все залежить від того, чи вдасться розробити метод масштабованого синтезу цього матеріалу, оскільки мікромеханічними ексфоліація не дозволяє отримувати великі обсяги двовимірних матеріалів.

джерело: Akinola D. Oyedele, Shize Yang, Liangbo Liang, Alexander A.Puretzky, Kai Wang, Jingjie Zhang, Peng Yu, Pushpa R. Pudasaini, Avik W. Ghosh, Zheng Liu, Christopher M. Rouleau, Bobby G. Sumpter, Matthew F. Chisholm, Wu Zhou, Philip D. Rack, David B. Geohegan, and Kai Xiao. PdSe2: Pentagonal Two-Dimensional Layers with High Air Stability for Electronics // JACS. 2017. DOI: 10.1021 / jacs.7b04865.

Аркадій Курамшин


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: