Общеизвестно, что материя во Вселенной состоит из отдельных атомов. Тем не менее исследователи из Колумбийского университета (США), а также Итальянского технологического института и Университета Анж (Франция) разработали абсолютно новый условно двухмерный полупроводниковый материал на основе суператомов — структур из нескольких атомов, обладающих свойствами единого крупноразмерного атома. Ученые полагают, что данный материал является первым представителем семейства «суператомных» соединений, которые в перспективе могут быть применены в электронике и других отраслях науки и техники. Следует подчеркнуть, что изучение двухмерных материалов представляет собой весьма динамично развивающуюся область современной науки. У большинства известных двухмерных материалов имеется простая структура, самый известный такой материал, графен, состоит из единственного слоя атомов углерода.

Проектирование двухмерных материалов с более сложной структурой, в том числе и на основе суператомов, позволит значительно расширить ассортимент свойств известных материалов и областей их применения.

Новый материал носит название Re6Se8Cl2, первые образцы такого материала, правда в его обычной пространственной (трехмерной) форме, были получены еще в 1983 году. Анализ материала показал, что его структура состоит “решетки псевдоквадратных наклонных групп”, групп, которые позже были названы суператомами.

В новом двухмерном материале суператомы соединены друг с другом при помощи сильных ковалентных связей. Тем не менее, взаимосвязь между слоями материала достаточно слаба, что позволяет отделить отдельные тончайшие слои, сохранив их суператомное строение. Толщина такого слоя составляет порядка 15 нанометров и ученым уже удалось получить большое количество частичек монослойного материала для проведения тщательного изучения его свойств.

Первые исследования Re6Se8Cl2 уже позволили выявить некоторые особенности оптических и электронных свойств, являющихся следствием необычной структуры этого материала. Пока еще нет нужды приводить какие-либо точные значения, ведь исследования находятся на самой ранней их стадии и полученные учеными результаты будут уточнены во время следующих исследований. Тем не менее, ученым уже ясно, что новый материал по ряду свойств значительно отличается от других двухмерных материалов и эти свойства позже можно будет использовать при разработке некоторых совершенно новых технологий.

Для любознательных

Двухмерный полупроводниковый материал из суператомов — это принципиально новый класс материалов, где единицей структуры служит не отдельный атом, а целая группа атомов, проявляющая некоторые свойства одного крупного атома. Такие материалы открывают широкие возможности для создания устройств с уникальными характеристиками, которые могут совершить прорыв в электронике, фотонике и других областях науки и техники.

Основные преимущества и области применения

Электроника и микроэлектроника

• Миниатюризация устройств. Благодаря толщине в один атом такие материалы позволяют создавать транзисторы и другие компоненты значительно меньших размеров по сравнению с традиционными трёхмерными полупроводниками, например, кремнием. Это ведёт к повышению производительности процессоров, созданию более компактных и мощных гаджетов, а также к снижению их энергопотребления.

• Повышение скорости работы. В двумерных материалах электроны движутся по кратчайшему пути, что снижает потери на трение и нагрев, обеспечивая более высокую скорость обработки информации.

• Создание транзисторов обоих типов. Для полноценной работы современных электронных схем нужны материалы как n-типа (с избытком электронов), так и p-типа (с «дырками»). Суператомные 2D-полупроводники позволяют целенаправленно настраивать свойства, открывая путь к созданию сбалансированных и эффективных транзисторов.

Фотоника и оптоэлектроника

• Новые оптические устройства. Необычные электронные и оптические свойства таких материалов могут быть использованы для разработки эффективных светоизлучающих диодов (LED), лазеров, фотодетекторов и других компонентов для обработки и передачи информации.

• Интеграция с существующей инфраструктурой. Возможность создавать тонкие, гибкие слои упрощает создание многослойных гетероструктур, сочетающих разные 2D-материалы. Это важно для развития гибкой электроники и фотонных чипов.

Наноэлектромеханические системы (НЭМС)

• Высокочувствительные датчики и актуаторы. Уникальные пьезоэлектрические свойства таких материалов делают их перспективными для использования в микроскопических сенсорах, акселерометрах, гироскопах и других устройствах, где требуется высокая чувствительность к механическим воздействиям.

Материалы с настраиваемыми свойствами

• Расширение полного ассортимента функциональных материалов. Проектирование 2D-материалов на основе суператомов позволяет целенаправленно «задавать» их свойства под конкретные задачи, открывая путь к созданию материалов с заранее заданными характеристиками для узкоспециализированных приложений.

Перспективы и вызовы

Хотя потенциал таких материалов огромен, перед их практическим внедрением стоит ряд задач:

• Сложность синтеза. Необходимо разработать эффективные и масштабируемые методы получения высококачественных монослойных плёнок с контролируемой структурой.

• Стабильность. Важно обеспечить долговечность и надёжность устройств на их основе в реальных условиях эксплуатации.

• Решение проблемы p-типа проводимости. Для полноценной работы многих электронных схем критически важно иметь материалы обоих типов (n- и p-), и здесь суператомные 2D-полупроводники открывают новые возможности для тонкой химической настройки. dzen.ru

Таким образом, двухмерные полупроводники из суператомов — это не просто новый материал, а инструмент для революции в электронике и фотонике, который может привести к созданию устройств с принципиально новыми возможностями. Однако их массовое применение станет реальностью только после решения ряда технических и производственных вызовов.