Создание новых материалов путем комбинирования слоев с уникальными полезными свойствами - это увлекательное направление, которое привлекает внимание ученых и инженеров. Недавно, ученые из Центра функциональных наноматериалов (CFN), пользовательского центра Министерства энергетики США (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории и Института экспериментальной физики Варшавского университета, представили новую многослойную структуру, использующую 2D-материалы с уникальными свойствами передачи энергии и заряда.
Этот новый материал основан на дихалькогенидах переходных металлов (TMD), которые представляют собой класс материалов, состоящих из атомарно тонких слоев, структурированных как сэндвичи. Основу TMD составляет переходный металл, который может образовывать химические связи с электронами на внешней и следующей оболочках. Этот металл находится между двумя слоями халькогенов, содержащих кислород, серу и селен. Все халькогены обладают схожим химическим поведением, так как имеют шесть электронов на внешней оболочке.
«На атомном уровне вы можете увидеть эти уникальные и настраиваемые электронные свойства», — сказал Абдулла Аль-Махбуб, штатный научный сотрудник Брукхейвенской группы CFN Interface Science and Catalysis. «TMD похожи на игровую площадку для физики. Мы перемещаем энергию от одного материала к другому на атомном уровне».
Уникальность этого материала заключается в его двумерной структуре, где каждый слой имеет толщину всего в один атом. Это делает его особенным и позволяет проявиться новым свойствам. Примером такого материала является графен, 2D-версия графита, из которого изготовлены карандаши. Графен обладает невероятной прочностью, что было доказано в эксперименте, удостоенном Нобелевской премии, где ученые использовали клейкую ленту для отделения чешуек графита и изучения слоя графена.
Хотя исследование этих материалов могло начаться с чего-то такого простого, как кусок клейкой ленты, инструменты, используемые для извлечения, изоляции, каталогизации и создания 2D-материалов, стали довольно продвинутыми. В CFN целая система была посвящена изучению этих гетероструктур и методов, используемых для их создания, — Quantum Material Press (QPress).
«Трудно сравнивать QPress с чем-либо», — сказал Суджи Парк, штатный научный сотрудник Брукхейвена, специализирующийся на электронных материалах. «Он строит структуру слой за слоем, как 3D-принтер, но 2D-гетероструктуры создаются с помощью совершенно другого подхода. QPress создает слои материала толщиной в атом или два, анализирует их, каталогизирует и, наконец, собирает». Робототехника используется для систематического изготовления этих ультратонких слоев для создания новых гетероструктур».
QPress имеет три настраиваемых модуля: эксфолиатор, каталогизатор и укладчик. Для создания 2D-слоев ученые используют эксфолиатор. Подобно технике ручной клейкой ленты, эксфолиатор имеет механизированный роликовый узел, который отшелушивает тонкие слои от более крупных исходных кристаллов с элементами управления, которые обеспечивают точность, недостижимую вручную.
После сбора и распределения исходные кристаллы прижимаются к пластине из оксида кремния и отделяются. Затем они передаются каталогизатору, автоматизированному микроскопу, объединяющему несколько методов оптической характеристики. Каталогизатор использует машинное обучение (ML) для выявления интересующих фрагментов, которые затем заносятся в базу данных. В настоящее время ML обучается только с данными графена, но исследователи будут продолжать добавлять различные виды 2D-материалов. Ученые могут использовать эту базу данных для поиска хлопьев материала, необходимых им для исследований.
Когда необходимые материалы будут доступны, ученые смогут использовать укладчик для изготовления из них гетероструктур. Используя высокоточную робототехнику, они берут чешуйки образцов и располагают их в нужном порядке под любым необходимым углом, а затем переносят подложки для создания окончательной гетероструктуры, которую можно долго хранить в библиотеке образцов для последующего использования.
Климат контролируется для обеспечения качества образцов, а процесс изготовления от эксфолиации до построения гетероструктур проводится в среде инертного газа в перчаточном боксе. Расслоенные хлопья и сложенные образцы хранятся в вакууме в библиотеках образцов кластера QPress.
Кроме того, на вакуумной стороне кластера доступны инструменты электронно-лучевого испарения, отжига и кислородной плазмы. Робототехника используется для передачи образцов из одной области QPress в другую. Однако после того, как эти новые гетероструктуры будут изготовлены, что они на самом деле делают и как они это делают?
После того, как команда CFN изготовила эти удивительные новые материалы с помощью QPress, они интегрировали материалы с набором передовых инструментов микроскопии и спектроскопии, которые позволили им исследовать оптоэлектронные свойства, не подвергая образцы воздействию воздуха, который может разрушить структуру материала. Некоторые тонкие, экзотические квантовые свойства двумерных материалов требуют для обнаружения сверхнизких криотемператур, вплоть до нескольких градусов Кельвина. В противном случае их раздражает малейшее количество тепла или любых химических веществ, присутствующих в воздухе.
Эта платформа будет включать передовые микроскопы, рентгеновские спектрометры и сверхбыстрые лазеры, способные исследовать квантовый мир при криотемпературах.
Применение таких материалов может иметь большое значение для развития солнечных элементов и других оптоэлектронных устройств. Понимание свойств этого нового материала открывает возможности для создания более эффективных и передовых технологий в области энергетики и электроники.
Исследования в области комбинирования материалов и создания новых структур продолжаются, и результаты таких исследований могут привести к революционным открытиям и новым технологиям, которые будут вносить значительный вклад в различные отрасли промышленности.
