Шестиугольная соль. Предоставлено пресс-службой Сколтеха
Ученые Сколтеха и МФТИ предсказали и экспериментально подтвердили, что на поверхности алмаза может образовываться тонкая пленка хлорида натрия (NaCl) с необычной гексагональной структурой. Она может служить диэлектриком, отделяющим затвор от канала в полевых транзисторах на алмазе, которые могут применяться, в частности, в электромобилях и телекоммуникационном оборудовании. Исследование проводилось с участием специалистов Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Института нанотехнологий микроэлектроники РАН и Высшей школы экономики (ВШЭ) при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Полученные результаты опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.
В 2004 году Андрей Гейм и Константин Новоселов получили экспериментальным путем и описали теперь уже хорошо известный двумерный углерод – графен. За это открытие они были удостоены Нобелевской премии. После этого все ученые стали активно изучать другие двумерные материалы, обладающие столь же интересными свойствами, что и графен: это, в частности, силицен, станен и борофен, представляющие собой монослои кремния, олова и бора, соответственно, а также двумерные слои MoS2, CuO и других соединений.
Аспирантка Сколтеха Ксения Тихомирова, старший научный сотрудник Сколтеха Александр Квашнин, профессор Сколтеха и МФТИ Артем Оганов и их коллеги обратились к результатам более ранних исследований тонких пленок NaCl и выдвинули гипотезу о том, что тонкие пленки гексагональной соли NaCl нанометровой толщины могут стабилизироваться на поверхности алмаза (110) .
«Изначально мы планировали провести только вычислительное исследование, чтобы понять, каким образом на подложках разного типа образуются новые двумерные структуры. Мы исходили из предположения о том, что при наличии сильной связи между подложкой и тонкой пленкой NaCl структура самой пленки может претерпевать существенные изменения. И действительно, мы получили очень интересные результаты и предсказали образование тонкой пленки гексагонального NaCl на алмазной подложке. После этого было решено провести экспериментальное исследование для проверки полученных результатов. Благодаря непосредственному участию наших коллег, которые взяли на себя экспериментальную часть работы, нам удалось синтезировать гексагональный NaCl, тем самым подтвердив нашу исходную гипотезу», – рассказывает первый автор статьи Ксения Тихомирова.
Используя эволюционный алгоритм USPEX, разработанный профессором Огановым и его учениками, исследователи предсказали возможность образования стабильных структур, основываясь лишь на свойствах элементов химического соединения. Свое предположение о существовании гексагональной пленки хлорида натрия ученые подтвердили, синтезировав ее экспериментальным путем на подложке алмаза с поверхностью (110) и описав ее свойства с помощью методов дифракции рентгеновского излучения и электронной дифракции отдельных участков образца (SAED). Было установлено, что средняя толщина полученной пленки NaCl составляет около 6 нанометров. Если бы толщина пленки оказалась больше, ее структура из гексагональной превратилась бы в кубическую, свойственную обычной поваренной соли.
Ученые полагают, что благодаря сильной связи между пленкой и алмазной подложкой, а также наличию обширной запрещенной зоны, гексагональный NaCl может эффективно использоваться в качестве диэлектрика для защиты затвора в алмазных полевых транзисторах от пробоя, которые, в свою очередь, имеют широкие перспективы для практического применения в электромобилях, радарах и телекоммуникационном оборудовании. В настоящее время в полевых транзисторах на алмазе в качестве диэлектрического слоя чаще всего используют гексагональный нитрид бора, который практически не отличается от NaCl по ширине запрещенной зоны, но значительно уступает ему по силе связи с подложкой.
«Результаты нашей работы показывают, что эта область еще очень мало изучена. Пока удалось открыть лишь малую часть двумерных материалов, обладающих необычными свойствами. Мы работаем в этом направлении уже достаточно давно. Еще в 2014 году мы описали механизм расщепления тонких пленок из кубического NaCl на гексагональные слои, аналогичные графену. Это говорит о том, что это привычное и, казалось бы, хорошо изученное соединение таит в себе еще много секретов, особенно переходя к наномасштабу. Эта работа – наш первый шаг в поиске новых материалов, аналогичных NaCl и обладающих большей стабильностью, более низкой растворимостью, более высокой термостойкостью и т.д. Материалы с такими свойствами могли бы эффективно использоваться в различных видах электроники», – отмечает Александр Квашнин.
Недавнее исследование ученых стало новым шагом на пути к пониманию механизма образования тонких пленок на поверхности подложек и способов управления их свойствами. Полученные результаты позволяют говорить о том, что дальнейшие поиски могут привести к открытию новых двумерных материалов с потенциалом практического применения не только в электронике, но и других областях.
