Международная группа ученых в составе российских и американских специалистов представила первый в мире одномерный полупроводниковый материал на основе соединения Ta2Pd3Se8 (тантал-палладий-селен) и Ta2Pt3Se8 (тантал-платина-селен). Он был получен с помощью метода микромеханического расщепления из кристалла Ta-Pd(Pt)-Se, впервые синтезированного более 30 лет назад.
Теоретическую часть исследования провели специалисты из НИТУ "МИСиС" под руководством доктора физико-математических наук Павла Сорокина. Экспериментальная часть работы проделана американскими коллегами в Тулейнском университете (штат Луизиана, США) под руководством профессора Джана Вея (Jiang Wei).
О том, какое влияние окажет использование "умного материала" на жизнь людей, в интервью корреспонденту РИА "Новости" рассказал руководитель инфраструктуры "Теоретическое материаловедение наноструктур" лаборатории "Неорганические наноматериалы" НИТУ "МИСиС", доктор физико-математических наук Павел Сорокин.
– Павел Борисович, осуществленное под Вашим руководством исследование (в его теоретической части) связывают с очередным технологическим рывком. В чем его суть? Чем полупроводники будущего будут отличаться от тех, что действуют сегодня?
– Действительно, нам, двум научным командам, работающим по разные стороны океана, удалось совместно сделать шаг навстречу более компактной, быстрой электронике. Использование нового материала потенциально позволит уменьшить электронные схемы до наноразмеров, и при этом увеличить скорость работы приборов, которые из них состоят.
Дело в том, что скорость действия и другие параметры устройства находятся в прямой зависимости от качества материала, по которому идет ток. Компактность нанопроводов, которые нам удалось "отщепить" от нового соединения, позволяет надеяться, что их можно будет использовать в новых электронных наноустройствах, чьё создание связывают с будущим всей технологии.
В случае перехода на наноуровень вся инфраструктура, ежедневно окружающая человека на улице, в супермаркете, поликлинике, может довольно сильно "поумнеть" и "похудеть". Увеличится скорость и эффективность работы световых реле, фотодиодов, датчиков в автоматах, других цифровых устройств.
– Какие направления электроники претерпят качественные изменения в связи с появлением нового наноразмерного "стройматериала"?
– Основная область его применения – опто- и микроэлектроника. Уменьшение размеров материалов часто позволяет добиться экстраординарных электронных, оптических, механических, химических и биологических свойств за счет размерных и поверхностных эффектов.
Практическая значимость работы велика, ведь одномерная наноструктура, полученная в нашей работе, имеет малый диаметр, и при этом объект такого размера получен контролируемым путем. Использованный подход принципиально отличается от применяемого ранее разрезания графена или дихалькогенидов переходных металлов на отдельные ленты. В этом значительное преимущество открытых нами материалов.
Кристалл состоит из связанных наноструктур, нанолент, при этом все наноленты имеют строго определенную ширину. Нет никакого разброса в параметрах. И, таким образом, при отработке технологии расщепления кристалла мы всегда будем получать ленты одной и той же ширины. Полная воспроизводимость результата становится достижимой.
– Невозможно пройти мимо вопроса – что толкает ученого к совершению открытия? Осеняет ли оно его свыше или приходит в результате долгих размышлений и исследований путем проб и ошибок?
Считаю, что под его руководством я прошёл отличную школу, которая дополнила знания, полученные мною в России от блестящего учёного Леонида Чернозатонского. В Университете Райса познакомился с молодым, но уже безумно талантливым и активным постдоком Джаном Вэем. Три года спустя в Москве получил от него письмо с идеей о сотрудничестве. Началось оно с совместной статьи в журнале Nature Physics.
Вскоре от имени группы ученых своего университета Джан предложил нам исследовать свойства одного "подозрительного" кристалла. Мы провели математическое моделирование его структуры и выяснили, что он может оказаться чрезвычайно перспективным для получения квазиодномерных полупроводников.
Это сложное соединение "тантал-паладий (платина)-селен" (Ta-Pd(Pt)-Se). Оно известно с 1980-х годов, но подробно не исследовалось. Кристалл состоит из слабо связанных лент, имеющих сходную структуру с лентами дихалькогенидов переходных металлов.
Двухмерное соединение дихалькогенида переходных металлов давно и заслуженно вызывает особый интерес ученых. Причина в том, что дихалькогениды переходных металлов (например, дисульфид молибдена или дисульфид вольфрама) демонстрируют полупроводниковые свойства, что позволяет их рассматривать как материалы, способные стать основой полупроводниковой электроники в посткремниевой эре.
Структурно это соединение представляет собой "бутерброд" из трех атомных слоев: халькоген (например, селен или сера), затем слой атомов переходных металлов (например, вольфрама или молибдена) и вновь халькоген.
Итак, у нас есть дихалькогенид переходных металлов, двухмерный слой, который демонстрирует полупроводниковые свойства. Но нам этого мало, мы стремимся сделать его одномерным. Цель – уменьшить не только толщину, но и ширину, создав на его основе минимальный полупроводниковый элемент.
Вот тут начались проблемы. Качественно разрезать слой на тонкие нанопровода, то есть сделать одномерную структуру из трехатомного вещества, не получилось. "Бутерброд" "крошился", параметры нарезаемых "ленточек" нас не устраивали.
– Примерно с 2004 года интерес научного сообщества сконцентрирован на графене как основном кандидате на полупроводник XXI века. Как Вам пришла идея обратить внимание на другие материалы?
Собственно, мой коллега Джан Вэй это и сделал. Если говорить совсем просто, приклеил клейкую ленту на кристалл, оторвал и в результате получил наноструктуру. Этот метод был в своё время использован для получения графена. Несмотря на свою простоту, он крайне эффективен и позволяет получать наноструктуры высокого качества.
Таким образом Джан изготовил первые провода, которые имели толщину порядка нанометра. И фактически дошел до уровня той самой одной ленты. После чего наши заокеанские коллеги сделали из полученного материала первый транзистор. В то время как в Москве изучили электронные и структурные свойства отдельных лент и нанопроводов (нескольких лент, соединённых между собой).
Наша работа еще далеко не закончена. Пока в эксперименте получено несколько нанолент, соединенных между собой. Как бы то ни было, надеемся, что этим исследованием мы проложим путь к открытию новых наноструктур, ведь "тантал-паладий-селен" лишь один из большого семейства таких перспективных материалов.
