Ученые из университета Райс (Rice University), под руководством извесного материаловеда Роуцбе Сасавари (Rouzbeh Shahsavari), разраотали новый способ для изготовления наноразмерного материала со множеством слоев, который продемонстрировал свойства суперпрочного материала, а также проявил ряд уивительных оптоэлектронных свойств. Проделанная учеными работа является результатом проведенного ими же сложнейшего компьютерного моделирования, целью которого являлся поиск новых материалов для технологий химического анализа, катализа и оптической электроники. Толчком к данным исследованиям стал успех других ученых, которым удалось, используя силы Ван-Дер-Ваальса, соединить различные молекулярные компоненты, заключенные в общую оболочку.
Работа ученых из университета Райс выступала в качестве еще одной проверки теории, позволяющей определить заранее электронные, оптические, химические и физические свойства сложных композитных материалов. А в данном случае таким материалом стал слой оксида магнитя, заключенный между двумя слоями графена.
Напомним нашим читателям, что у графена отсутствует понятие электронной запрещенной зоны, что делает некоторые другие материала полупроводниками. Однако, у нового гибридного материала запрещенная зона имеется, и ее ширина может быть подстроена в зависимости от параметров составных частей материала. Кроме этого, такой же гибкой настройке подвержены и оптические свойства материала, что делает его необычайно полезным для применения в оптической электронике.
“Единственный слой оксида магния способен поглощать свет только в узком диапазоне длин волн. Но когда такой материал пойман в ловушку между двумя слоями графена, он становится способным к поглощению света в более широком спектре” – рассказывает Роуцбе Сасавари, – “И это делает его идеальным вариантом для изготовления светочувствительного элемента различных фотодетекторов”.
“Сейчас на свете не существует одного единственного чудо-материала, при помощи которого можно закрыть все технические проблемы в мире” – рассказывает Сасавари, – “И, как показывает практика, лучшие результаты в каждой области дают гибридные материалы, состоящие из компонентов разной природы”.
Теоретические математические модели, разработанные группой Сасавари, могут одинаково хорошо работать и по отношению к другим двухмерным материалам, к примеру, с нитридом бора с шестиугольной кристаллической решеткой, силицену и т.п. Помимо этого, можно использовать молекулярное наполнение этих наносэндвичей любого типа. “Моя группа сейчас работает над целым рядом гибридных материалов, меняя используемые в них компоненты и их структуру” – рассказывает Сасавари, – “И мы надеемся, что при помощи этих материалов будут решены некоторые из сложных проблем, с которыми невозможно справиться, используя более традиционные методы и подходы”.
Для любознательных
Разработка многослойных суперпрочных материалов с уникальными оптоэлектронными свойствами — это одно из ключевых направлений современной нанотехнологии и материаловедения. Такие материалы находят применение в оптоэлектронике, квантовых вычислениях, лазерных системах, сенсорах и гибкой электронике. Ниже — подробный обзор ведущих центров в России и мире, активно работающих в этой сфере.
Ведущие мировые центры
1. Массачусетский технологический институт (MIT), США
— Пионер в создании двумерных (2D) гетероструктур — многослойных материалов, где каждый слой — отдельный 2D-материал (например, графен, дисульфид молибдена).
— Разработаны гетероструктуры на основе переходных металлов (TMDs), которые обладают высокой подвижностью электронов и сильным взаимодействием со светом.
— Применяются в фотодетекторах, светодиодах и оптических переключателях.
— Используют ван-дер-ваальсовую сборку — слои складываются как «нано-бутерброды» без химической связи, что сохраняет их уникальные свойства.
2. Университет Манчестера, Великобритания
— Дом графена: здесь впервые был выделен графен, и сейчас ведутся исследования многослойных гибридных структур.
— Разработаны графен-дисульфидные гетероструктуры, которые эффективно поглощают свет и проводят ток.
— Применяются в гибких дисплеях, оптических модуляторах и солнечных элементах.
— Проекты совместно с Airbus и Rolls-Royce — для лёгких, прочных и «умных» композитов.
3. Институт полупроводников, Китайская академия наук (CAS), Пекин
— Специализируется на наногетероструктурах на основе арсенида галлия (GaAs) и нитридов.
— Созданы многослойные квантовые ямы, используемые в лазерах, фотоприёмниках и оптических усилителях.
— Материалы обладают высокой термостойкостью и суперпрочностью при малой толщине.
4. IBM Research (США, Цюрих)
— Разрабатывает гибридные оптоэлектронные чипы, где кремниевые слои комбинируются с фотонными кристаллами.
— Цель — создание оптических процессоров, которые бы заменили медные провода в компьютерах.
— Используются многослойные диэлектрики с контролируемым преломлением света.
Ведущие российские разработчики
1. Московский физико-технический институт (МФТИ)
— Центр квантовых технологий МФТИ совместно с учёными из Узбекистана разработал многослойные тонкие плёнки на основе нанокристаллов сульфидов серебра, галлия, индия и меди.
— Материалы созданы из отечественного сырья (серы и децена-1), что делает технологию суверенной.
— Плёнки обладают высокой чувствительностью к свету — в 2–10 раз выше, чем у аналогов.
— Применяются в нелинейной оптике, лазерных импульсах, защите от мощного излучения.
— Ключевое преимущество: долговечность прекурсора серы — он устойчив к окислению и может храниться годами.
2. Томский политехнический университет (ТПУ)
— Учёные впервые обнаружили уникальный фотоотклик в трисульфиде мышьяка (As₂S₃), полученном из природного минерала аурипигмента.
— Материал — двумерный полупроводник, который при освещении меняет поверхностный потенциал до 80 мВ, не проводя ток.
— Это делает его идеальным для фототранзисторов и оптических переключателей нового поколения.
— В сочетании с серебряными нанопроволоками эффективность фотокатализа повышается на 71%.
— Исследование ведётся в рамках программы «Приоритет-2030».
3. МГУ имени М. В. Ломоносова
— Разработан модифицированный диоксид ванадия (VO₂) с микроструктурой, напоминающей ёлочные иголки.
— Материал поглощает 90% терагерцевого излучения на частоте 1,5 ТГц, а при нагревании до 68 °C его сопротивление возрастает в миллионы раз.
— Это делает его идеальным оптическим переключателем для терагерцевых волн — основы сетей 6G.
— Новый метод синтеза позволяет получать материал с высокой избирательностью и стабильностью.
4. Научный центр волоконной оптики (НЦВО), Санкт-Петербург
— Специализируется на многослойных оптических волокнах и фотонных кристаллах.
— Разработаны гибридные волокна, сочетающие прочность кварца с оптоэлектронными свойствами нанокомпозитов.
— Применяются в медицинских сенсорах, системах связи и промышленной диагностике.
Ключевые технологии в создании таких материалов
| Технология | Описание | Применение |
|---|---|---|
| Гетероструктуры | Многослойные материалы из разных 2D-слоёв | Фотодетекторы, светодиоды |
| Ван-дер-ваальсова сборка | Слои удерживаются силами Ван-дер-Ваальса | Гибкая электроника |
| Эксфолиация | Механическое или химическое отслоение слоёв от минералов | Получение графена, дисульфидов |
| Гибридные наноматериалы | Комбинация металлов и полупроводников | Усиление оптического отклика |
| Нанокристаллические плёнки | Тонкие слои нанокристаллов | Оптоэлектронные переключатели |
Перспективы
— Суверенные технологии: Россия активно развивает производство материалов из отечественного сырья, что критично в условиях импортозамещения.
— Квантовые устройства: такие материалы — основа для квантовых точек, фотонных чипов и оптических компьютеров.
— Медицина и безопасность: применение в терагерцевой визуализации, лазерной защите, биосенсорах.
Где следить за новостями?
- Журналы: Applied Materials Today, CrystEngComm, Ceramics International
- Российские источники: Центр научной коммуникации МФТИ, пресс-служба Минобрнауки РФ, сайт «Вести.ру»
- Международные конференции: MRS (Materials Research Society), IEEE Photonics Conference
