Физики рассчитали на суперкомпьютерах, как получить «соленый графен»

Исследователи из МФТИ, Сколтеха, ТИСНУМ, МИСиС и Университета Райса (США) с помощью компьютерного моделирования выяснили, какой должна быть толщина кристаллической пленки соли, чтобы она «расщепилась» на графеноподобные слои. Из данных моделирования ученые вывели уравнение для числа слоев, ниже которого могут получиться ультратонкие пленки, применимые в наноэлектронике. Статья опубликована в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters (импакт фактор 8.54).

 От 3D до 2D 

Графен интересен прежде всего своей атомной структурой — это углеродная пленка толщиной всего в один атом. Его кристаллическая решетка напоминает пчелиные соты, так как связи между атомами образуют правильные шестиугольники. Графен — это один слой трехмерного кристалла графита, однако, как только кристалл становится двумерным, он кардинально меняет свои свойства. С момента открытия графена, наука активно ищет и изучает новые двумерные материалы с не менее интересными свойствами. Ультратонкие пленки имеют особые качества, которые могут быть интересны для применения в нано- и микроэлектронике.

Предыдущие теоретические исследования показали, что пленки с кубической решеткой и ионным типом связи могут быть подвержены «эффекту графитизации» — расщеплению на слои, структура которых является гексагональной, как у графена. Для некоторых веществ такой переход наблюдался экспериментально. Эффект графитизации теоретически предсказывали, в частности, для соединения каменной соли NaCl. Графитизация пленок такого состава может привести к созданию новых структур, которые могут быть интересны для применения в наноэлектронике. Однако до сих пор не была разработана теория, которая охватывала бы превращение всех подобных соединений в слои «соленого графена».

Чтобы наблюдался эффект графитизации, нужно уменьшать слои вдоль главной диагонали «кубика». В этом случае одна поверхность кристалла будет состоять из натрия Na, а вторая — из хлора Cl. На самом деле, «шарики» в узлах кристаллической решетки имеют заряды: +1 для Na и -1 для Cl. Значит противолежащие поверхности будут заряжены, причем заряды будут разных знаков. Пока они достаточно далеко друг от друга, все заряды скомпенсированы и соль имеет кубическую решетку, но, когда слоев становится слишком мало, появляется так называемый дипольный момент, который образуют противоположно заряженные поверхности. Структура стремится избавиться от дипольного момента, повышающего его энергию, и это приводит к перестройке атомов таким образом, чтобы поверхности стали нейтральными.

Эксперимент vs модель 

Чтобы изучить, как эффект графитизации меняется от вещества к веществу, исследователи взяли шестнадцать двухатомных соединений AB. В роли А выступали щелочные металлы — активные металлы 1-ой группы таблицы Менделеева — Li, Na, K и Rb. В качестве B брались галогены F, Cl, Br, I — «жители» 7-ой группы таблицы Менделеева, которые особенно охотно соединяются с щелочными металлами.  

Эти соединения могут иметь разный вид кристаллической решетки — разную фазу. Если атмосферное давление увеличить в триста тысяч раз, другая фаза NaCl (на рисунке показана желтым) станет более стабильной и кристаллическая решетка перестроится. Чтобы проверить, правильно ли выбраны методы и параметры, исследователи смоделировали две разных фазы и рассчитали, какое давление требуется для перехода между ними. Данные совпали с экспериментальными.

Сколько раз – переход фаз?

Еще одна фаза исследуемых соединений имеет гексагональную структуру, она малостабильна в 3D-кристалле (на рисунке показана красным), а в случае сверхтонкой (2D или квази-2D) пленки, наоборот, является самой стабильной. Исследователи построили зависимость поверхностной энергии пленок с кубической и гексагональной фазами от числа слоев. Таким образом, для каждого соединения были получены две прямые с разным наклоном. Критическое число слоев, ниже которого кубическая пленка расщепится на гексагональную, находится в точке их пересечения. Например, для всех солей натрия Na критическим оказалось примерно 11 слоев, а для солей лития Li – от 19 до 27 слоев. На основании этих данных была выведена зависимость критического числа слоев от двух параметров, которые определяют прочность межионных связей в разных соединениях. Первым параметром стал условный размер иона металла — его ионный радиус. Вторым — электроотрицательность, то есть способность атомов А притягивать к себе электроны атомов B. Чем выше электроотрицательность атома, тем сильнее он притягивает к себе электроны, сильнее выражен ионный характер связи, больше величина повышающего энергию дипольного момента и меньше критическая толщина пленки.

Это еще не все 

Заведующий лабораторией теоретического моделирования новых материалов, доктор наук Павел Борисович Сорокин, поделился успехами исследования: «Нашей работой уже заинтересовались коллеги из Израиля и Японии — если они экспериментально докажут предсказанный нами эффект, то станет возможным получение новых сверхтонких пленок с уникальными свойствами, которые можно будет использовать в наноэлектронике».

Сейчас ученые расширяют свою деятельность и переходят к новым соединениям. Они предполагают, что эффект графитизации может проявляться в случае сверхтонких пленок других составов, чьи свойства могут быть гораздо интереснее.