Група дослідників із Китаю зробила важливий крок у розвитку сучасного матеріалознавства. Науковці вперше у світі змогли отримати лантаноїдний MXene — новий двовимірний матеріал, який одночасно має властивості напівпровідника та феромагнетика. Результати роботи були опубліковані в одному з найавторитетніших наукових журналів світу — Nature.
Над дослідженням працювали фахівці Інституту матеріалознавства та інженерії Китайської академії наук у Нінбо спільно з ученими із Чжецзянського університету та лабораторії Yongjiang.
Що таке MXene і чому це важливо
MXene — це сімейство двовимірних матеріалів, які складаються з шарів перехідних металів, вуглецю та азоту. Вони давно привертають увагу науковців завдяки високій електропровідності та можливості змінювати свої поверхневі властивості.
Сьогодні MXene вважають перспективними для використання у:
- системах накопичення енергії;
- захисті від електромагнітного випромінювання;
- каталізаторах;
- сенсорах;
- електроніці нового покоління.
Втім, майже всі відомі представники цього класу матеріалів створювалися на основі титану, ванадію, ніобію та інших перехідних металів. Через це вони поводилися переважно як метали, що суттєво обмежувало можливості їх застосування у складніших електронних системах.
Новий матеріал відкриває нові можливості
Головною особливістю нового лантаноїдного MXene стало те, що він поєднав одразу дві важливі характеристики. З одного боку, матеріал працює як напівпровідник, тобто може контролювати проходження електричного струму. З іншого — він демонструє феромагнітні властивості, тобто здатний зберігати впорядковану магнітну структуру.
Саме такої комбінації фізичних характеристик давно прагнули досягти розробники електроніки та спінтроніки — напрямку, який використовує не лише заряд електрона, а й його спін для передавання та обробки інформації.
Незвичайний підхід до синтезу
Щоб отримати новий матеріал, команда застосувала власну методику, яку вони називають стратегією «хімічних ножиць». Дослідники звернули увагу, що однохлоридні сполуки лантаноїдів мають шарувату структуру, дуже схожу на ту, яку необхідно отримати для нового MXene після видалення окремих атомних шарів.
На практиці процес нагадує складання конструктора на атомному рівні: окремі шари можна вибірково видаляти, замінювати або перебудовувати, створюючи зовсім нові матеріали із заздалегідь заданими властивостями.
Як проходив експеримент
Новий матеріал вдалося отримати у два етапи. Спочатку лантаноїдний метал вступав у реакцію з хлоридом міді, у результаті чого формувалася необхідна проміжна сполука.
Далі цей матеріал змішували з графітом та нагрівали до високої температури. Під час реакції електрони між шарами починали активно переміщуватися, що дозволяло вуглецевим атомам зайняти строго визначені позиції всередині кристалічної структури. У результаті формувався абсолютно новий тип MXene із характерною багатошаровою будовою.
Перспективи для електроніки майбутнього
Випробування показали, що новий матеріал дійсно поєднує властивості напівпровідника та магніту — комбінацію, яку раніше було надзвичайно складно реалізувати в одному двовимірному матеріалі.
Це відкриває перспективи для створення:
- надекономних логічних мікросхем;
- швидкісних систем бездротового зв’язку;
- високочутливих магнітних сенсорів;
- компонентів для квантових комп’ютерів;
- нових поколінь спінтронних пристроїв.
Метод можна застосувати і до інших матеріалів
Науковці вважають, що запропонована технологія має універсальний характер. У майбутньому її можна буде використовувати для синтезу інших двовимірних матеріалів на основі різних перехідних металів. Якщо це вдасться реалізувати, сімейство MXene може значно розширитися, а розробники отримають новий набір матеріалів із характеристиками, які сьогодні ще неможливо отримати традиційними методами.
Відкриття демонструє, що керування структурою матеріалів буквально на рівні окремих атомів поступово переходить із теоретичних моделей у практичну площину. Саме такі технології можуть стати основою електроніки наступного покоління, де швидкість, енергоефективність і нові принципи обробки інформації відіграватимуть ключову роль.
Джерело: portaltele.com.ua