Коллектив лаборатории многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов ЮУрГУ сделал важный шаг в понимании свойств двумерного карбида кремния. Ученые исследовали, как точечные дефекты (вакансии) в монослоях этого материала влияют на его электронные и магнитные характеристики. Работа имеет важнейшее значение для развития наноэлектроники и спинтроники.
«Исследование проводится в рамках более масштабного фундаментального проекта, посвященного изучению свойств так называемых «тетрельных связей» — нековалентных взаимодействий, которые формируются атомами подгруппы углерода (углерод, кремний, германий, олово), – рассказывает руководитель проекта, ведущий научный сотрудник лаборатории многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов (далее НИЛ МММФМ – прим. ред. ) Екатерина Барташевич, – Понимание этих слабых межатомных взаимодействий критически важно для прогнозирования свойств кремний-углеродных материалов: от способности создаваемых на их основе сорбентов удерживать функционально важные молекулы до активации межфазных поверхностей для протекания химических реакций.
Мы попытались сфокусироваться именно на свойствах химических связей, чтобы прогнозировать сильные и слабые взаимодействия кремний-углеродных материалов с разными компонентами. В фокусе нашего внимания были дефекты — ситуации, когда в сплошной сетке карбида кремния утрачен один из атомов. Мы выяснили, что иногда такие «вакансии» делают материал активнее, а иногда, наоборот, структура перестраивается и «залечивает» сама себя, и нужной активации не происходит», — поясняет Екатерина Владимировна.
Ключевым результатом работы стало понимание механизмов возникновения магнетизма в дефектных монослоях. С помощью квантово-химического моделирования соавторы публикации по проекту – физики Сергей Созыкин и Владимир Цирельсон показали, что эффект принципиально зависит от типа удаленного атома.
Если из решетки удалить атом кремния, соседние атомы углерода оказываются в возбужденном состоянии с неспаренными электронами. Это приводит к возникновению устойчивых спин-поляризованных состояний — материал обретает локальный магнетизм.
Если же решетка утратила атом углерода, её структура, как правило, перестраивается, образуя новые химические связи, и магнетизм подавляется.
«Мы показали, что возникновение магнетизма нельзя описать, просто констатируя наличие дефекта. Необходимо учитывать, как именно перераспределяется электронная плотность. Вакансии кремния — это эффективный способ «включить» магнитные свойства в двумерном карбиде кремния», — комментирует к.ф.-м.н., доцент кафедры «Физика наноразмерных систем», старший научный сотрудник инновационного отдела Сергей Созыкин.
Особую роль в исследовании сыграл специалист в области квантовой химии, кристаллохимии и теории химической связи, д.ф.-м.н., заведующий кафедрой квантовой химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, профессор Владимир Цирельсон. Разработанные и предложенные им электронные дескрипторы позволили ученым не только смоделировать поведение кремний-углеродных монослоев с двумерной периодичностью, но и приблизиться к созданию точных прогнозов свойств материалов.
«На данном этапе нас больше всего интересует прогноз усиления реакционной способности атомов кремния и углерода в таких двумерных структурах. Мы уже можем судить о том, как дефекты будут взаимодействовать с различными органическими молекулами», — добавляет Екатерина Барташевич.
Команда подчеркивает, что главная сложность и одновременно основное преимущество работы заключается в стыковке теории и эксперимента. Исследователям часто не хватает экспериментальных данных для валидации своих сложных моделей. Ученые открыты к партнерству и ищут коллаборации с физико-химическими группами экспериментаторов, чтобы проверять свои прогнозы и совместно продвигаться в создании новых гибридных материалов.
Полученные данные открывают перспективы для использования монослоев карбида кремния в наноэлектронике и спинтронике, где важно управлять спиновыми состояниями на атомном уровне. Дефекты, которые традиционно считались нежелательным нарушением структуры, теперь могут рассматриваться как инструмент для тонкой настройки функциональных свойств материалов будущего.
По данным исследования опубликована статья «Unraveling the electronic properties of silicon carbide monolayers with Si/C vacancies» (Изучение электронных свойств монослоев карбида кремния с вакансиями Si/C) в издании «Physical Chemistry Chemical Physics» Q2 (Scopus), К2 (Белый список).
Юлия Шерстобитова