Международная команда учёных, среди которых сотрудники лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС», сообщает о разработке, приближающей начало эры наноразмерной электроники, оптоэлектроники и спинтроники. Разработан и синтезирован материал, ширину запрещённой зоны которого можно регулировать.
Уже существуют технологии, позволяющие превращать свет в электричество и создавать аккумуляторы без химических реакций. Однако у таких устройств пока ещё очень низкий коэффициент полезного действия. Исправить ситуацию могли бы наноматериалы на основе двумерных структур, но их сложно производить, особенно трудна задача получить материал с заранее заданными свойствами.
Когда появится возможность контролируемо менять один из ключевых параметров наноматериалов — ширину запрещённой зоны, это кардинально перевернёт сферу наноразмерной полупроводниковой электроники, оптоэлектроники и спинтроники. Станет возможным в промышленных масштабах создавать материалы с нужными свойствами. Сейчас опытные образцы наноэлектроники изготавливают «из того, что есть».
Возможность контролируемого изменения оптических, электронных и магнитных свойств двумерных материалов предсказана давно. Но первые практические результаты показала команда под руководством профессора Дмитрия Гольдберга.
«Коллективу ученых из НИТУ «МИСиС» (Москва, Россия), Национального института материаловедения (NIMS, Япония), Пекинского транспортного университета (КНР), Технологического университета Квинсленда (Австралия) под руководством одного из ведущих мировых учёных профессора Дмитрия Гольберга впервые в мире удалось решить проблему создания двумерных материалов с контролируемыми свойствами», — говорит ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова.
В работе, опубликованной в журнале Advanced Materials, описан первый в мире эксперимент по контролируемому созданию материала на основе частично окисленного нитрида бора. Материал изготавливается посредством постепенного добавления кислорода в структуру двумерного нитрида бора. До сих пор контролируемо менять ширину запрещённой зоны удавалось, внедряя в нитрид бора атомы углерода, но этот метод оказался сложным и дорогостоящим. Метод частично окисления проще и дешевле.
После синтеза учёные измеряли ширину запрещённой зоны частично окисленного нитрида бора в зависимости от содержания в решетке атомов кислорода. В ходе экспериментов удалось подтвердить на опытных образцах теоретически предсказанные свойства кристаллической решётки нитрида бора для нескольких уровней содержания кислорода.
«Главное достижение нашей работы в том, что нам удалось успешно совместить методы теоретического материаловедения с великолепной работой коллег экспериментаторов, — рассказывают соавторы работы, научные сотрудники лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС», доктор физико-математических наук Павел Сорокин и кандидат физико-математических наук Дмитрий Квашнин. — Наше тесное сотрудничество вылилось в то, что с одной стороны был успешно синтезирован новый материал на основе нитрида бора с возможностью контроля ширины запрещённой зоны, а с другой стороны особенности его свойств были подробным образом изучены теоретически, при этом экспериментальные данные были успешно подтверждены теорией».
В ходе комплексного исследования полученного материала учёным удалось понять, как и почему меняется ширина запрещённой зоны в частично окисленном нитриде бора:
«Основной вклад в уменьшение ширины запрещённой зоны вносит наличие гидроксильных групп, расположенных на краях нового материала. Наличие такого слоя приводит к формированию дополнительных электронных уровней вблизи энергии Ферми, что и приводит к меньшей ширине запрещенной зоны, наблюдаемой экспериментально», — отметил Павел Сорокин.
По словам Павла Сорокина, разработка весьма перспективна — новый наноматериал можно использовать в таких областях науки и техники, как фотовольтаика, оптоэлектроника, хранение энергии.
В теоретической части работы использовались ресурсы суперкомпьютерного кластера «Cherry» НИТУ «МИСиС». Практическая часть работы выполнялась в Японии и Австралии.
