Создание и изучение двумерных (2D) материалов — молодое и очень перспективное направление современного материаловедения. Для таких материалов характерна очень малая (часто менее одного нм) толщина, поэтому их можно использовать для создания слоистых гетероструктур, которые используются в современной электронике, от транзисторов до датчиков, солнечных элементов и светодиодов. Сотрудники Национального исследовательского технологического университета "МИСиС" (НИТУ "МИСиС") активно исследуют технологии получения и свойства множества двумерных наноматериалов.
Все дело в тонком слое
Основная особенность двумерного материала в том, что все его атомы находятся в поверхностном слое. В химии и кристаллографии это означает, что каждый элемент площади материала имеет множество свободных или нескомпенсированных ("висячих") связей. Это обусловливает повышенную химическую активность таких материалов, а также существенную разницу в свойствах по сравнению с массивным состоянием. Свободные связи дают возможность изменения их функций за счет модификации поверхностности.
Молекулярная структура графена
Самый известный двумерный материал — графен, его открытие в 2010 году было отмечено Нобелевской премией по физике. Графен обладает высокими значениями электро- и теплопроводности и достаточно прочен при растяжении на разрыв. В то же время он образует складки и нестабилен в качестве отдельной свободно висящей пленки.
Эту проблему решают современные методики создания "армированного" графена. Кроме того, разработаны технологии получения бездефектных пленок графена большой площади, применимых в качестве прозрачных электродов для различной техники. Созданы также методы получения отдельных хлопьев оксида графена, которые активно внедряются в качестве функциональных наполнителей для полимерных композитов.
По типу проводимости графен ближе всего к металлам, что затрудняет его применение для создания элементов логических схем. Поэтому для применения в электронике, для создания датчиков и сенсоров активно изучаются другие двумерные материалы — халькогениды переходных металлов. Они характеризуются полупроводниковыми свойствами и различаются типами проводимости.
Ученые исследуют и более сложные двумерные структуры вроде "максенов" (MXene) с рядом уникальных для керамики свойств, высокой проводимостью и возможностью пластической деформации.
По сути, каждый новый двумерный материал интересен для науки своими свойствами и может найти себе применение в технике.
Осадить, помолоть или сделать хлопья?
Исследователи сегодня разрабатывают различные способы получения 2D-материалов. Метод химического осаждения из газовой фазы позволяет создать качественные пленки многих двумерных материалов (хотя его реализация обходится довольно дорого). Методы химической эксфолиации слоистых материалов позволяют получать дисперсии и хлопья толщиной в несколько атомных слоев.
Существуют методы с использованием высокоэнергетического помола в планетарных мельницах и комплексные методы, где получают промежуточные фазы, а затем за счет химического воздействия расслаивают материал на очень тонкие чешуйки. Метод высокоинтенсивной ультразвуковой кавитации помогает получать двумерные структуры из массивного состояния.
© Фото : Сергей Гнусков, НИТУ "МИСиС"
Лаборатория кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ "МИСиС"
Каждый метод существенно влияет на свойства получаемого материала. Так, для создания электронных устройств наиболее перспективны методы химического осаждения из газовой фазы или атомно-слоевого осаждения, позволяющие точно контролировать толщину и размер структурных элементов, чистоту и морфологию материала.
Несмотря на то, что сейчас самые качественные пленки получают методом химического осаждения из газовой фазы, в первых работах Гейм и Новоселов сделали измерения на графене, полученном с помощью скотча, на очень маленьких по площади чешуйках. Сегодня дисперсии сверхтонких чешуек, готовых к применению, уже есть в свободной продаже.
Методы получения других материалов пока отрабатываются в лабораториях, но, как только ученые найдут наиболее перспективное направление их внедрения, технология не заставит себя долго ждать.
2D-материалы в России
Сотрудники кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ "МИСиС" разрабатывают халькогениды переходных металлов для солнечных элементов, светодиодов и сенсоров. Они также исследуют оксид графена как покрытие, повышающее коррозионную стойкость различных типов стали, и способы получения "максенов", представляющих собой слоистые карбиды титана и ванадия, для которых уже показаны интересные результаты.
© Фото : Сергей Гнусков, НИТУ "МИСиС"
Нитрид бора в НИТУ "МИСиС"
"Активное взаимодействие нашего коллектива с профессором итальянского университета "Тор Вергата" Альдо Ди Карло по теме двумерных наноматериалов привело к получению мегагранта и созданию новой лаборатории. Значительная часть работ лаборатории направлена на применение нескольких типов двумерных наноматериалов для создания перовскитных солнечных элементов", — рассказал РИА Новости старший научный сотрудник кафедры Дмитрий Муратов.
По его мнению, это пример эффективно налаженного взаимодействия: материаловеды синтезируют и исследуют свойства новых материалов, наиболее подходящих для применения в солнечных элементах, специалисты по полупроводниковым устройствам создают сами устройства и исследуют их рабочие параметры.
"Кроме того, мы активно сотрудничаем по получению и исследованию свойств композитов с Центром композиционных материалов НИТУ "МИСиС", группой Андрея Степашкина. Я выступал с докладами о нашей работе по композитам с наноструктурным нитридом бора перед зарубежными коллегами, например, в Испании на конференции ISMANAM ", — сообщил Дмитрий Муратов.
Он рассказал, что ученые НИТУ "МИСиС" создали композиты, которые проводят тепло гораздо лучше традиционных стеклотекстолитов. Полимерной основой стал полиэтилен высокой плотности, а наполнителем — нитрид бора, обработанный для достижения нужных свойств. С точки зрения вторичной переработки, полученные материалы оказались выгоднее распространенных аналогов, кроме того, они способны решить проблему перегрева печатной платы в электронике.
Международное сотрудничество
Сегодня НИТУ "МИСиС" активно развивает сотрудничество в области синтеза двумерных материалов и изучения их свойств с Университетом Небраска-Линкольн (США). Оно началось после объявления в НИТУ "МИСиС" в рамках федеральной программы "Проект 5-100" конкурсов, направленных на развитие инфраструктуры. Эти конкурсы предусматривают приглашение ведущего ученого для руководства научным коллективом и проведения исследований на одну из перспективных тем.
"К нам был приглашен профессор Александр Сергеевич Синицкий, который в основное время работает в Университете Небраска-Линкольн. В 2016 году мы подали совместную заявку по двумерным наноматериалам на один из конкурсов и выиграли его. После этого началось наше активное сотрудничество, в рамках которого я стажировался в США в лаборатории Александра, чтобы применить полученный опыт для создания экспериментальной базы и у нас на кафедре", — рассказал Дмитрий Муратов.
© Фото : Сергей Гнусков, НИТУ "МИСиС"
Дмитрий Муратов, старший научный сотрудник кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ "МИСиС"
По его словам, это привело к международному обмену опытом магистров, аспирантов и сотрудников кафедры. В результате сотрудничества опубликован ряд совместных работ по двумерным наноматериалам в ведущих международных журналах и налажена установка по их синтезу методом химического осаждения из газовой фазы.
Так, ученые представили в научном журнале Nanotechnology результаты своей работы с оксидом молибдена (MoO2). Они получили методом химического осаждения из газовой фазы двумерный материал, который затем всесторонне исследовали с помощью аналитических методов. Например, в научном журнале ACS Nano недавно была опубликована статья о сульфиде титана.
"Уже показаны очень хорошие результаты по проводимости полученного материала и возможности получения очень тонких и проводящих слоев MoO2 (в данном случае кристаллов), стабильных на воздухе, на различных по своей природе подложках. Полученные результаты мы будем использовать в наших дальнейших исследованиях", — заявил Дмитрий Муратов.
По его словам, новый материал можно будет применять для создания гетероструктур и наноустройств — транзисторов, сенсоров, фотодетекторов и так далее. Сейчас создаваемые НИТУ "МИСиС" вместе с Университетом Небраска-Линкольн материалы внедряются в качестве транспортных слоев для тонкопленочных солнечных элементов, светодиодов и сенсоров. Развивается и направление создания полимерматричных композитов, наполненных двумерными наноматериалами.