Российские физики расщепили ковалентный кристалл из сульфида индия и галлия, перспективный для использования в электронике, и изучили оптические характеристики полученных тонких пленок. Этот кристалл имеет только ковалентные связи, но при этом продемонстрировал все свойства, присущие двумерным и слоистым материалам. Он найдет применение в области диэлектрической нанофотоники, например наномедицины, для создания тонких линз с переменным фокусным расстоянием или даже объемных голограмм. Работа опубликована в журнале «npj 2d Materials and Applications».
(a) Оптическая фотография кристалла InGaS3; (b) предполагаемое направление разрыва связей; (c-d) фотографии атомно-силовой микроскопии полученных двумерных объектов; (e) показатель преломления в сравнении с типовыми материалами с (e) высоким показателем преломления и (f) узким диапазоном поглощения. Вставка отражает оптическую запрещенную зону и соответствующий показатель преломления
Развитие цифровой экономики, роботизации, квантовой криптографии требует от электроники увеличения скорости, энергоэффективности, безопасности передачи данных. Сейчас во всем мире идет «гонка» за материалами для электроники с улучшенными или уникальными физико-химическими характеристиками. Одной из быстроразвивающихся тематик современного материаловедения стали двумерные пленки и материалы на их основе.
Ученые активно исследуют слоистые материалы со слабыми межплоскостными ван-дер-ваальсовыми связями для получения двумерных материалов с уникальными свойствами. Связь Ван-дер-Ваальса имеет не химическую, а электростатическую природу и возникает между молекулами и атомами. Это слабая связь, и в результате такие пленки сложно масштабировать и применять на практике именно из-за непрочности соединения отдельных слоев материала.
Группа российских ученых решила попробовать создать пленки, слои которых будут удерживаться вместе сильными химическими связями — ковалентными. Ковалентная связь возникает, когда ядра атомов сближаются и у них возникает общая электронная пара. Такие связи, в частности, формируют структуру некоторых кристаллов. Исследователям удалось найти кристалл, одноатомные пленки которого продолжают удерживаться вместе ковалентными связями даже после расслаивания.
«На сегодняшний день двумерные и слоистые материалы стали основной платформой для разработки оптических устройств следующего поколения благодаря их гигантскому показателю преломления, анизотропии и экситонным свойствам. Однако эти материалы сложно масштабировать и делать технологические процессы из-за их ван-дер-ваальсовых связей, в отличие от традиционных кристаллов, таких как кремний и оксид титана, где все связи ковалентные. В нашей же работе удалось найти материал InGaS3, который имеет только ковалентные связи, но при этом демонстрирует все свойства, присущие двумерным и слоистым материалам», — говорит Георгий Ермолаев, научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Ученые провели экспериментальные и теоретические испытания нового материала и описали структурные, колебательные, электронные и оптические свойства полученных образцов.
«В данной работе при помощи компьютерного моделирования из первых принципов мы предсказали возможность существования и получения двумерного слоя из ранее неизвестного ковалентного кристалла InGaS3 путем разрыва химических связей вдоль определенного направления. Далее на основе теоретических предсказаний была проведена огромная экспериментальная работа с применением метода микромеханического отщепления по получению двумерных слоев состава InGaS3 и последующее изучение оптических и электронных свойств материала», — добавил соавтор работы Дмитрий Квашнин, старший научный сотрудник ИБХФ РАН, доцент МФТИ.
Оказалось, что кристалл InGaS3 обладает высоким коэффициентом преломления (n>2,5) при отсутствии поглощения в видимом и ИК-диапазонах. Это делает его отличным кандидатом для применения в области полностью диэлектрической нанофотоники. Новый материал может применяться в оптике нового поколения для производства сложного медицинского оборудования, интегральных схем, фотонных вычислительных устройств, а также приборов для проекции объемных голограмм.
Над научным исследованием работали ученые Московского физико-технического института (МФТИ), Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля (ИБХФ) РАН и Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Исследование выполнено в рамках программы мегагрантов Правительства РФ (№075-15-2021-606). Программа является частью нацпроекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России.
Информация и фото предоставлены пресс-службой МФТИ
