Электрические, магнитные и прочие физико-химические характеристики материалов могут претерпевать существенные изменения при переходе из объемного состояния в двухмерную структуру. Наглядным примером служит графен, чьи свойства принципиально отличаются от характеристик углерода в иных формах. Тем не менее, существуют исключения из данной закономерности, одно из которых было выявлено специалистами Вашингтонского университета и Массачусетского технологического института. Обнаруженный ими двухмерный материал полностью сохраняет исходные магнитные свойства, что создает возможности для разработки сверхтонких электронных и спинтронных устройств на основе магнитных принципов функционирования.
Напомним нашим читателям, что материалы, имеющие толщину от одного до нескольких атомов, принято считать условно плоскими, двухмерными. Электроны в таких материалах могут двигаться только в их горизонтальной плоскости, что определяет некоторые из необычных свойств таких материалов, таких, как электрическая проводимость и магнетизм. В результате этого, некоторые из традиционных магнитных материалов полностью утрачивают свои свойства в двухмерном виде.
Однако, трийодид хрома (Crl3), является исключением из общего правила. Этот материал является ферромагнитным изначально, он получает свои магнитные свойства из-за симметричного и синхронного вращения его электронов. И что самое главное, этот материал сохраняет свой изначальный магнетизм в его монослойной форме.
Проверка магнетизма монослоя материала была проведена при помощи его освещения поляризованным светом, который, будучи отраженным от поверхности, содержит четкие “подписи” магнитных свойств материала. Монослой Crl3 отразил свет, который содержал такую подпись. Но самым странным стало то, что этот же материал, толщиной в два слоя, полностью утерял все свои магнитные свойства. И еще более странным стало то, что наличие еще одного, третьего слоя, снова восстановило его магнитные свойства. Такой эффект послужил причиной возникновения целого ряда вопросов о процессах происходящих в “микроскопическом мире” внутри этого материала.
“Плоские материалы предоставляют нам возможность осуществления точного электрического контроля над их магнитными свойствами, которые отсутствуют у обычных трехмерных материалов” – пишут исследователи, – “Но еще большие возможности возникают тогда, когда мы складываем вместе монослои материалов, обладающих совершенно различными и даже кардинально противоположными физическими свойствами. В таком случае возникают столь экзотические эффекты и явления, которые невозможно получить в единственном монослойном или обычном трехмерном материале”.
“Мы обнаружили, что материал Crl3 сохраняет свой естественный магнетизм и в его плоской форме. Магнитные свойства остаются столь же сильными, как и у обычного материала.
Это, в свою очередь, позволит использовать так называемые двухмерные магниты в ряде информационных технологий, начиная от телекоммуникаций и заканчивая технологиями записи, хранения и обработки информации”.
Для любознательных
В России и в мире активно ведутся исследования в области двумерных материалов — ультратонких структур толщиной в один или несколько атомных слоёв, которые могут стать основой для электроники нового поколения. Эти материалы открывают путь к созданию сверхмалых, энергоэффективных и высокоскоростных устройств.
В России одним из лидеров в этой области является Московский физико-технический институт (МФТИ). Учёные МФТИ, в частности, изучают многослойные структуры на основе диселенида ниобия (NbSe₂) и диселенида ванадия (VSe₂). Они обнаружили, что можно управлять сверхпроводимостью в таких системах, воздействуя на соседние ферромагнитные слои с помощью электрического напряжения — без прямого контакта.
Это открывает возможности для создания двухмерных спиново-расщеплённых сверхпроводников, разработки устройств в области спинтроники (где информация передаётся не зарядом, а спином электрона) и управления квантовыми процессами с помощью тепла или магнитного поля. Такие разработки могут быть использованы в квантовых компьютерах, сверхчувствительных сенсорах и высокоскоростной электронике.
За пределами России передовые исследования ведутся в нескольких ключевых центрах. В США группа под руководством Пуликеля Аджаяна в Университете Райса (Хьюстон) разработала способ создания двумерных графеновых транзисторов. Учёные научились наносить изолятор — гексагональный нитрид бора (hBN) — на графен с помощью лазера, что позволило избежать высоких токов утечки и создать стабильные транзисторы размером всего 100 нанометров.
Также в США, в Исследовательской лаборатории ВМС (NRL) и Университете Канзаса, учёные создали двумерные волноводы из гексагонального нитрида бора (hBN). Эти структуры способны направлять свет в плоскости материала, что важно для оптоэлектроники и интеграции световых и электронных схем на чипе. Это особенно полезно для изучения «тёмных экситонов» в материалах типа TMD (дихалькогениды переходных металлов), которые излучают свет в плоскости и раньше были трудны для наблюдения.
В Европе и Азии — в Нидерландах, Германии, Южной Корее и Китае — также ведутся масштабные исследования графена, дихалькогенидов (например, MoS₂, WS₂) и других 2D-материалов. Цель — интеграция их в гибкую электронику, дисплеи, сенсоры и энергетические устройства.
Двумерные материалы могут заменить или дополнить кремний в будущих технологиях. Например, они открывают путь к гибкой и прозрачной электронике — таким как складные экраны и носимые устройства. Также они перспективны для квантовых и спинтронных компьютеров, позволяя строить более мощные и энергоэффективные вычислительные системы. Благодаря способности направлять свет, такие материалы могут использоваться в оптоэлектронных чипах, где данные передаются не электричеством, а светом — это обеспечивает высокую скорость и низкое энергопотребление. Кроме того, их высокая чувствительность к внешним воздействиям делает их идеальными для ультрачувствительных сенсоров в медицине, экологии и системах безопасности.
На сегодняшний день российские и международные исследования активно сближаются. Помимо МФТИ, значительные наработки есть в СПбГУ, НИТУ «МИСиС», Сколковском институте науки и технологий и в научных центрах Новосибирска. Однако для перехода от лабораторных образцов к промышленному производству необходимо решить задачи стабильности, масштабируемости и совместимости с существующими технологиями. Тем не менее, прогресс очевиден, и двумерные материалы уже рассматриваются как один из ключевых элементов электроники будущего.
