Внешний вид чёрного фосфора (Credit: Theodore W. Gray )

Получение новых материалов, состоящих из одного слоя атомов различных веществ, стало в последние годы одним из заметных направлений в материаловедении. Учёные даже окрестили этот тренд «постграфеновой эрой».

Графен, представляющий собой один слой атомов углерода, обладает уникальными свойствами, делающими его практически идеальным для использования в электронных устройствах. В частности, графен отличается исключительно высокой подвижностью электронов, то есть хорошо проводит электричество, а также тепло. Проблема заключается в том, что в графене отсутствует так называемая запрещённая зона — интервал энергий, которые электрону иметь запрещено. Наличие такой зоны крайне желательно, поскольку она является основой всей современной полупроводниковой электроники, позволяя создавать такие важнейшие элементы, как диоды и транзисторы.

Именно поэтому активно идут поиски веществ с высокой подвижность электронов, и одновременно с наличием запрещённой зоны. Поскольку высокая электропроводность графена во многом связана с его двумерной, плоской структурой, то и новые материалы ищут среди тех веществ, которые способны образовать двумерную сетку. В июле 2013 года путём численного моделирования удалось обнаружить 92 кандидата в такие материалы, но их экспериментальное получение оказалось связанным с большим количеством сложностей.

Как и графен, фосфорен состоит из шестиугольников, но не является полностью плоским — некоторые атомы находятся чуть выше плоскости, другие — чуть ниже. Это, однако, несильно замедляет электроны по сравнению с графеном. В то же время фосфор обладает запрещённой зоной, позволяющей ему в разных условиях то проводить ток, то нет.

       Ещё одна иллюстрация кристаллической структуры фосфорена (Credit: Likai Li et al.)

Несмотря на то что достичь толщины в один слой, то есть получить чистый фосфорен, пока не удалось, учёные полны оптимизма. Например, было показано, что даже в полученных образцах скорость движения электронов сравнима с другим кандидатом в «постграфены» — дисульфидом молибдена, состоящим из атомов серы и молибдена. При этом наличие в структуре фосфорена атомов только одного вещества — фосфора, — а не двух, делает новый материал более привлекательным с точки зрения простоты изготовления.

Фосфорен не единственный аналог графена, состоящий из одного сорта атомов. Ранее удалось получить одноатомные слои кремния — силицен — и германия — германен. Оба эти материала обладают более высокой электропроводностью, чем фосфорен, но так же, как и графен, не имеют запрещённой зоны. Теоретически, более интересным кандидатом является станен — одноатомный слой олова, обладающий и высокой подвижностью электронов, и запрещённой зоной, но предсказанный только в 2013 год и пока никем не полученный.

Общей проблемой всех обсуждаемых материалов является их нестабильность. На воздухе они начинают активно окисляться и быстро разрушаются. Специальные уловки, которыми удалось стабилизировать силицен в 2012 году, все равно пока не позволяют использовать этот материал в реальных устройствах. Фосфорен должен быть более стабильным, чем его конкуренты, но его производство сложнее: для получения чёрной модификации фосфор высокой чистоты требуется помещать под огромные давления. Процесс дальнейшего снятия слоёв также пока не оптимизирован.

В любом случае сама возможность получения двумерного материала с запрещённой зоной является достаточно привлекательной для продолжения исследований в этой области, а потенциальный коммерческий успех обещает покрыть любые временные затраты.

habrahabr.ru

Рiotr Kossacki

«Квантовые точки представляют собой полупроводниковые наноразмерные кристаллы. Они так малы, что электроны внутри них могут существовать лишь в состояниях с очень специфической энергией. Поэтому квантовые точки обладают схожими с атомом характеристиками и так же, как и атомы, могут достичь более высоких энергетических уровней при стимуляции светом. И напротив, это значит, что точки излучают свет в процессе возвращения на более низкие энергетические уровни», – говорит профессор Петр Коссацки (Рiotr Kossacki).

Лаборатория Университета Варшавы создает квантовые точки при помощи молекулярно-пучковой эпитаксии. Процесс включает в себя использование тиглей с точной температурой нагрева, содержащих элементы в вакуумной камере. Пучки элементов направляются на образец. С учетом точно подобранных материалов и экспериментальных условий атомы собираются в маленькие островки, известные как квантовые точки.

Процесс напоминает конденсацию водяного пара на гидрофобной поверхности.

Во время образования квантовых точек незначительное число других атомов (к примеру, атомов магнитов) может быть помещено в вакуумную камеру, так что некоторые из них включаются в образующиеся точки. После удаления образца его можно изучить под микроскопом для обнаружения квантовых точек, содержащих отдельных магнитный атом в центре.

«Атомы с магнитными свойствами разрывают энергетические уровни электронов в квантовых точках, что влияет на их взаимодействие со светом. В результате состояние квантовой точки говорит о состоянии этого атома. И напротив: посредством изменения энергетического состояния электронов в квантовых точках мы можем повлиять на соответствующие магнитные атомы», – объясняет Михаль Папаж (Michał Papaj), студент факультета физики Университета Варшавы, которого Институт физической химии Польской академии наук наградил золотой медалью в области химии в рамках выпускного национального конкурса на лучшую бакалаврскую работу за его исследование по квантовым точкам, содержащим ион кобальта.

Наиболее высокими магнитными показателями обладают атомы мангана, лишенные двух электронов (Mn2+).

В рамках проведенных экспериментов ионы помещались в квантовые точки, сделанные из теллурида кадмия (CdTe) или арсенида индия (InAs). При помощи содержащих CdTe точек, созданных доктором Петром Вожнаром (Piotr Wojnar) из Института физики Польской академии наук, в 2009 году Матеуш Горица (Mateusz Goryca) из Университета Варшавы разработал первое магнитное запоминающее устройство, функционирующее на отдельном магнитном ионе.

«Ранее считалось, что другие магнитные ионы, такие как кобальт (Co2+), не могут использоваться в квантовых точках. Мы решили проверить это, и природа сделала нам приятным сюрприз: присутствие другого магнитного иона не разрушило свойства квантовой точки», – говорит Якуб Кобак (Jakub Kobak), докторант из Университета Варшавы.

Исследователи из Университета Варшавы представили две новые системы с отдельными магнитными ионами – квантовые точки из CdTe с атомами кобальта и из селенида кадмия (CdSe) с атомами мангана.

Как уже было сказано, атомы мангана обладают наиболее сильными магнитными свойствами.

К сожалению, такие свойства связаны как с электронами, так и с ядром атома, что означает, что квантовые точки с ионами мангана представляют собой сложные квантовые системы.

Открытие, сделанное физиками из Университета Варшавы, продемонстрировало, что другие магниты, такие как хром, железо, никель, могут использоваться вместо мангана. Эти элементы не обладают ядерным спином, что означает, что квантовыми точками, включающими эти элементы, проще управлять.

Относительно квантовых точек, в которых теллур заменен на более легкий селен, ученые заметили, что продолжительность сохранения информации увеличилось на порядок.

Этот факт говорит о том, что использование более легких элементов должно увеличить продолжительность хранения информации квантовыми точками, содержащими отдельный магнитный ион. Возможно, что это позволит увеличить срок хранения на несколько порядков.

«Мы доказали, что две квантовые системы, которые считались нежизнеспособными, в действительности функционировали довольно эффективно. Это открытие позволяет начать поиски других материалов для создания квантовых точек и магнитных ионов, использование которых раньше представлялось невозможным», – подводит итог доктор Войчек Пацуски (Wojciech Pacuski).

http://nauka21vek.ru/archives/55890