Ученые из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН и Дальневосточного федерального университета создали гибридный наноматериал с управляемыми электронными свойствами, сообщила Минобрнауки РФ. Это двумерная структура, в которой на тонкой пленке селенида висмута Bi₂Se₃ на кремниевой подложке сформирован монослой молекул фуллерена C₆₀.
Селенид висмута относится к классу топологических изоляторов. В объеме он не проводит ток, а на поверхности остается проводящим благодаря особым электронным состояниям, устойчивым к дефектам и внешним воздействиям. Поверх этой поверхности размещен плотный мономолекулярный слой фуллеренов. Они почти не взаимодействуют с подложкой и сохраняют собственные электронные свойства, что важно для работы всей системы.
Как прокомментировали ученые Наука Mail, решалась ключевая проблема гибридных молекулярных материалов: когда молекулярный слой (вроде фуллерита) сажают на подложку, он, зачастую, слишком сильно с ней «слипается». Это сильное взаимодействие подавляет уникальные электронные свойства материалов (например, сверхпроводимость, топологические эффекты), ради которых они и создавались.
Принципиально не хватало материала, который сочетал бы в себе два важнейших качества:
• Структурный порядок — идеально упорядоченный молекулярный слой.
• Электронную «свободу» — чтобы молекулы почти «не чувствовали» подложку и их свойства можно было управляемо менять.
Благодаря таким материалам можно улучшить не напрямую скорость или память, а фундаментальные свойства передовых электронных компонентов. Цель — создание принципиально новых устройств:
• Топологическая и молекулярная электроника: устройства, где информация кодируется или переносится с использованием топологически защищенных состояний (очень устойчивых к помехам) или квантовых состояний отдельных молекул.
• Спинтроника: электроника, использующая спин электрона, а не только его заряд. Сочетание топологического изолятора (где есть сильное спин-орбитальное взаимодействие) и управляемых молекулярных состояний — подходящая для этого платформа.
• Высокотемпературная сверхпроводимость: фуллерены в определенных условиях могут становиться сверхпроводниками. Управляя их свойствами на топологической подложке, можно найти пути к достижению этого эффекта при более высоких (например, комнатных) температурах.
Проще говоря, улучшается не текущая технология, а потенциал для создания технологий следующего поколения, которые будут стабильнее, эффективнее и обладать новыми функциями.
Ключевым результатом российских ученых стало то, что электронную структуру гибридного материала C₆₀/Bi₂Se₃ удалось сделать настраиваемой. Это достигается с помощью интеркаляции — внедрения атомов щелочного металла (калия) в молекулярный слой фуллеренов. Меняя их количество, можно управлять распределением электронов, а значит, и такими параметрами, как проводимость и энергетические уровни.
Сейчас в физике конденсированного состояния тренд на «материаловедческий LEGO». Комбинируя разные классы, ученые стремятся получить синергетический эффект — свойства, которых нет ни у одного из «кирпичиков» по отдельности.
Топологические изоляторы дают защищенные, быстрые, безмассовые поверхностные состояния (электроны, ведущие себя как безмассовые частицы, подобно свету); молекулярные материалы обладают богатой, «настраиваемой» электронной структурой, могут проявлять сверхпроводимость, магнетизм, сильные электронные корреляции; двумерные материалы обеспечивают идеально гладкие, инертные подложки для других слоев и сами обладают уникальными свойствами (вспомнить тот же графен). Сочетая их, можно создать гибрид, в котором:
1. Быстрые «топологические» электроны взаимодействуют с «медленными», сильно коррелированными электронами на молекулах.
2. Можно электрическим или химическим способом (допированием) управлять этим взаимодействием.
3. Создавать новые квантовые фазы вещества, перспективные для квантовых вычислений, сверхчувствительных сенсоров и энергоэффективной электроники.
Именно это и продемонстрировала работа — успешный шаг в создании такого многофункционального гибридного «пирога».
Результаты работы опубликованы в научном журнале Scripta Materialia при поддержке Российского научного фонда.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что физикам удалось добиться «нулевого трения» на крупных объектах.
