В мире электронных схем меньше всегда лучше, но есть предел тому, насколько сильно вы можете сжать кремниевый компонент без его перегрева и разрушения, и мы близки к достижению этого. Исследователи исследуют группу атомарно тонких материалов, которые можно собрать в стопки.
Свойства любого конечного материала зависят как от выбора сырья, так и от угла, под которым один слой расположен поверх другого.
Д-р Марцин Муха-Кручинский, руководивший исследованием Департамента физики, сказал: «Мы нашли способ определить, насколько сильно атомы в разных слоях стопки связаны друг с другом, и мы продемонстрировали применение нашего идея структуры из слоев графена."
Исследование Бата, опубликованное в Nature Communications, основано на более ранней работе с графеном – кристаллом, характеризующимся тонкими слоями атомов углерода, расположенными в виде сот.
В 2018 году ученые из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружили, что когда два слоя графена сложены, а затем скручены друг относительно друга на «магический» угол 1.1 °, они производят материал со сверхпроводящими свойствами. Это был первый случай, когда ученые создали сверхпроводящий материал, сделанный исключительно из углерода. Однако эти свойства исчезли при малейшем изменении угла между двумя слоями графена.
С момента открытия Массачусетского технологического института ученые всего мира пытались применить этот феномен «наложения и скручивания» к другим ультратонким материалам, объединяя две или более атомарно различных структур в надежде сформировать совершенно новые материалы с особыми качествами.
«В природе невозможно найти материалы, в которых каждый атомный слой отличается», – сказал д-р Муха-Кручинский. «Более того, два материала обычно можно соединить только одним определенным способом, потому что между слоями должны образовываться химические связи. Но для таких материалов, как графен, сильны только химические связи между атомами в одной плоскости. Силы между плоскостями – известные как взаимодействия Ван-дер-Ваальса – слабые, и это позволяет слоям материала скручиваться относительно друг друга."
Задача ученых сейчас – сделать процесс открытия новых слоистых материалов максимально эффективным. Найдя формулу, которая позволяет им предсказать результат при сложении двух или более материалов, они смогут значительно упростить свои исследования.
Именно в этой области д-р Муха-Кручинский и его сотрудники из Оксфордского университета, Пекинского университета и синхротрона ELETTRA в Италии рассчитывают изменить ситуацию к лучшему.
«Количество комбинаций материалов и количество углов, под которыми они могут быть скручены, слишком велико, чтобы опробовать его в лаборатории, поэтому то, что мы можем предсказать, важно», – сказал д-р Муха-Кручинский.
Исследователи показали, что взаимодействие между двумя слоями можно определить, изучив трехслойную структуру, в которой два слоя собраны, как вы могли бы найти в природе, а третий скручен.
Они использовали фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением – процесс, в котором мощный свет выбрасывает электроны из образца, так что энергия и импульс электронов могут быть измерены, что дает представление о свойствах материала – чтобы определить, насколько сильно два атома углерода на заданном расстоянии друг от друга соединяются. Они также продемонстрировали, что их результат можно использовать для прогнозирования свойств других стопок, сделанных из тех же слоев, даже если скрутки между слоями различны.
Список известных атомарно тонких материалов, таких как графен, постоянно растет.
Он уже включает в себя десятки записей, отображающих широкий спектр свойств, от изоляции до сверхпроводимости, от прозрачности до оптической активности, от хрупкости до гибкости. Последнее открытие предоставляет метод экспериментального определения взаимодействия между слоями любого из этих материалов. Это важно для прогнозирования свойств более сложных стеков и для эффективного проектирования новых устройств.
Доктор Муха-Кручинский считает, что может пройти 10 лет, прежде чем новые сложенные и скрученные материалы найдут практическое повседневное применение. «Графену потребовалось десять лет, чтобы перейти от лаборатории к чему-то полезному в обычном смысле слова, поэтому с некоторой долей оптимизма я ожидаю, что аналогичные сроки будут применены к новым материалам», – сказал он.
Основываясь на результатах своего последнего исследования, доктор Муха-Кручинский и его команда в настоящее время сосредотачиваются на скрученных стопках, сделанных из слоев дихалькогенидов переходных металлов (большая группа материалов, содержащих два очень разных типа атомов – металл и халькоген, например сера).
Некоторые из этих стеков показали удивительное электронное поведение, которое ученые пока не могут объяснить.
«Поскольку мы имеем дело с двумя совершенно разными материалами, изучение этих стопок затруднено», – пояснил д-р Муха-Кручинский. «Однако мы надеемся, что со временем мы сможем предсказать свойства различных штабелей и разработать новые многофункциональные материалы."