Химики впервые получили немятый «оловянный графен»

Изображение пленки станена на подложке из серебра, полученное методом сканирующей туннельной микроскопии
J. Yuhara et al./ 2D Materials, 2018
Химики впервые синтезировали идеально плоский однослойный станен (аналог графена, состоящий из атомов олова) большой площади — до 5 тысяч квадратных нанометров. Предыдущие попытки приводили к получению неоднородных и сильно искривленных пленок с бездефектными доменами площадью не более 100 квадратных нанометров. Полученный материал может использоваться в качестве двумерного топологического изолятора, свойства которого сохраняются даже при температурах выше комнатной, пишут ученые в 2D Materials.
Двумерные кристаллы, такие как графен или нитрид бора, обычно образованы ковалентными связями и включают в себя атомы неметаллов. Однако известно, что атомы металлов тоже могут образовывать небольшие двумерные островки, как, например, железо в порах графена. Поэтому недавно ученые провели теоретический анализ всех возможных элементарных металлических двумерных кристаллов и составили атлас их свойств, в котором приводятся данные о длине и энергии связи и механических свойствах таких материалов. Один из двумерных металлов, который привлекал ученых в первую очередь, — станен, аналог графена, в котором по узлам гексагональной решетки расположены атомы олова. Интерес к станену вызван тем, что по оценкам ученых, такой материал должен обладать свойствами двумерного топологического изолятора, что весьма полезно для низкоразмерной электроники и вычислительных устройств.
Олово, как и некоторые другие металлы, уже удавалось получить в виде двумерного кристалла на поверхности теллурида висмута Bi2Te3 или сурьмы, однако во всех предыдущих попытках это были очень неоднородные и сильно искривленные пленки, часто состоящие из нескольких атомарных слоев. Ученые из Японии, Германии, Испании и Франции под руководством Дзюндзи Юхары (Junji Yuhara) из Нагойского университета впервые смогли синтезировать однородный плоский слой станена достаточно большой площади. Для получения однородного материала авторы предложили наносить атомы олова с использованием вакуумного эпитаксиального осаждения. Атомарно тонкая пленка олова наносилась на синхротроне с использованием сверхвысокого вакуума (до 10-10 миллибар) на подложку из серебра, параметр кристаллической решетки которого чуть-чуть больше, чем у олова, что не дает оловянным пленкам изгибаться и формировать неоднородные структуры с большим количеством дефектов.
Кроме того, чтобы лучше понять, природу свойств образовавшегося материала,ученые рассчитали его структуру теоретически с использованием метода функционала плотности. Расчеты показали, одной из причин формирования устойчивых двумерных кристаллов стало образование между трехмерной кристаллической решеткой серебра и слоем олова промежуточного слоя, состоящего из сплава Ag2Sn.
Для исследования свойств двумерных топологических изоляторов часто используются модели, в которых необходимые нелокализованные состояния возникают, например, за счет взаимодействия фононов. Так, на модели топологического изолятора, состоящего из системы гироскопов, удалось показать, что такие свойства могут наблюдаться и в неупорядоченных системах. Другой моделью двумерного топологического изолятора на основе фононов может служить метаматериал, собранный из колеблющихся кремниевых пластинок.
Александр Дубов