Химики получили первый двумерный полупроводник из атомных кластеров

X. Zhong, K. Lee et al./ Nano Letters, 2018

Химики получили первый двумерный полупроводник, состоящий из связанных между собой атомных кластеров. В отличие от известных материалов, единичный элемент такого кристалла — не отдельный атом, а октаэдрический атомный кластер из атомов рения и селена, пишут ученые в Nano Letters.

Двумерные полупроводники считаются перспективными материалами для электронных устройств следующего поколения. Однако сейчас класс этих материалов довольно узок и практически во всех исследования в качестве двумерных полупроводников рассматриваются только дихалькогениды переходных металлов. В первую очередь, это дисульфид молибдена, однако есть и другие перспективные полупроводниковые материалы с аналогичной гексагональной структурой. В частности, потенциально даже более перспективным считается не дисульфид, а дителлурид молибдена, у которого ширина запрещенной зоны соответствует энергетическим переходам в современной кремниевой электронике.

Группа химиков из США, Италии и Франции под руководством Сяоянa Чжу (Xiaoyang Zhu) из Колумбийского университета показала, что класс двумерных полупроводников не ограничивается дихалькогенидами переходных металлов и вообще атомными кристаллами, а получать такие материалы можно и из более сложных структур, в частности, из атомных кластеров. В качестве единичного элемента двумерной структуры ученые предложили взять атомный кластер из атомов рения и селена состава Re6Se8Cl2.

Известно, что эти кластеры образуют трехмерные кристаллы — так называемые октаэдрической фазы Шевреля, в которых кластеры связываются ковалентными связями в слоистую структуру. Каждый кластер состоит из октаэдров, состоящих из 6 атомов рения, вписанных в куб из атомов селена. По бокам кластеры связаны друг с другом ковалентными связями, а сверху и снизу кластеры [Re6Se8] ограничиваются атомами хлора. Друг с другом слои связаны ван-дер-ваальсовыми связями, которые намного слабее ковалентных и позволяют разделять трехмерный кристалл на отдельные двумерные слои. Чтобы отделить двумерные слои от трехмерного кристалла авторы работы использовали метод эксфолиации, отрывая небольшие двумерные участки кластерной структуры от трехмерного кристалла Re6Se8Cl2 с помощью скотча (как это делали Константин Новоселов и Андрей Гейм с графеном, отрывая его скотчем от графита).

В результате такой методики ученые получили прямоугольные фрагменты двумерных кристаллов толщиной около 15 нанометров. Авторы работы отмечают, что добиться получения монослоя им пока не удалось, однако в самом ближайшем будущем они планируют модифицировать метод получения таким образом, чтобы можно было контролировать количество слоев в двумерном кристалле и получать однослойные структуры.

В отличие от дихалькогенидов молибдена и вольфрама, кластеры образуют не гексагональную решетку, а уложены в решетку, очень близкую к квадратной (стороны одной ячейки с решетке равны 6,5 и 6,6 ангстрема, а угол между сторонами составляет 89 градусов), что соответствует и параметрам, характерным для трехмерного кристалла.

Электронные и оптические свойства полученного двумерного полупроводника тоже оказались довольно близки к свойствам его трехмерного аналога. Ширина запрещенной зоны этого материала, измеренная с помощью ультрафиолетовой спектроскопии и дополнительно рассчитанная численно с использованием метода функционала плотности, составила 1,58 электронвольта. Для оптических переходов значение чуть меньше: 1,48 электронвольта, — что связано с непрямой структурой запрещенной зоны. Авторы работы отмечают, что эти параметры характерны для двумерного кристалла, состоящего из нескольких слоев, а в пределе монослоя ширина запрещенной зоны (которая все еще будет оставаться непрямой) должна увеличиться примерно до 1,78 электронвольта. Кроме того, ученые показали, что электронными свойствами материала можно дополнительно управлять за счет допирования его электронами, изменяя количество дефектов в подрешетке хлора на поверхности (аналогичным образом в диселениде молибдена можно сделать, варьируя количество атомов серы).

Ученые отмечают, что полученный ими материал — первый из класса кластерных двумерных полупроводников. Основными направлениями дальнейших исследований авторы работы называют усовершенствование технологии получения таких материалов (чтобы можно было управлять количеством слоев), контроль за их электронными и фононными свойствами, а также поиск новых аналогичных материалов с достаточно сильной ковалентной связью между атомными кластерами для возможности образования двумерных кристаллов.

Двумерные полупроводниковые кристаллы уже сейчас применяются для получения нанотранзисторов, которые могут быть использованы в нано- и микроэлектронных устройствах. Для управления электронными свойствами таких материалов: структурой энергетических зон, концентрацией и подвижностью носителей заряда — ученые предлагают использовать ферромагнитные подложки, которые изменяют электронную структуру за счет зеемановского расщепления, и дополнительные слои с отрицательной емкостью или возбуждая в двумерных кристаллах фононы, закрученные необычным образом.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.