Уникальные структуры для новых материалов
Изображение: US Department of Energy
Впервые исследователи выделили и охарактеризовали атомарно тонкие двумерные кристаллы пятиугольников, соединенных вместе в диселениде палладия (PdSe2). Исследование подтвердило предсказания того, что складчатая структура будет стабильной.
Уникальная структура материала приводит к полезным свойствам. Он имеет быстро движущиеся электроны. Кроме того, он стабилен в воздухе. Другие 2-D полупроводники нестабильны в воздухе. Эти свойства могут обеспечить расширенное использование в детекторах, солнечных элементах и транзисторах. Кроме того, этот материал может способствовать сверхпроводимости для электрического потока без потерь, пьезоэлектрических датчиков и энергосберегающих вычислений.
Большинство изученных до сих пор двухмерных кристаллов представляют собой решетку шестиугольников, например графена, дихалкогенидов переходных металлов и черного фосфора, а слои решетки могут быть плоскими или складчатыми.
Теория предсказывала семейство двухмерных кристаллических материалов с решетками из пятиугольной «плитки». Листы пятиугольников необычны даже в природе. Теперь команда, возглавляемая Национальной лабораторией Ок-Ридж, экспериментально доказала существование одного из членов этой семьи. Исследователи использовали объемные кристаллы, созданные группой из Технологического университета Наньяна; они отслаивали кристаллы, чтобы получить складчатые слои PdSe2.
Используя высокопрофильную просвечивающую электронную микроскопию, они созадли слои различной толщины. Микропоглощающая оптическая спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния и расчеты по первым принципам показали, что толщина слоя изменила ширину запрещенной зоны. Зазор между полосами — это диапазон энергий в твердом теле, в котором электронные состояния не могут существовать.
Толщина изменила ширину запрещенной зоны от 0 в объеме (несколько слоев) до 1,3 электрон-вольт в одиночных монослоях. Это открытие открывает путь для пятиугольных 2-D материалов с перестраиваемыми зонами, что может принести новые возможности электронике и фотонике.
Большинство двумерных материалов имеют сильно симметричные решетки и, как результат, проявляют изотропное поведение, т. е. физическое свойство имеет то же значение при измерении в разных направлениях. Напротив, пятиугольный двухмерных PdSe2 является проявлением анизотропного значения, которое отличается при измерении в разных направлениях.
Пентагональные 2-D материалы могут позволить новую степень свободы для разработки концептуально новых оптоэлектронных и электронных устройств, которые невозможно использовать с применением других 2-D материалов. Кроме того, материал устойчив в воздухе, что не относится ко многим другим 2-D полупроводникам. Например, он менее восприимчив к окислению, чем черный фосфор, еще один перспективный двухмерный материал с перестраиваемой запрещенной зоной.
Открытие дополнительных многогранных пятиугольных строительных блоков может способствовать применению в низкоэнергетической оптоэлектронике, пьезоэлектриках, термоэлектрике и спинтронике.
Больше информации: Akinola D. Oyedele et al. PdSe2: Pentagonal Two-Dimensional Layers with High Air Stability for Electronics, Journal of the American Chemical Society (2017). DOI: 10.1021/jacs.7b04865