Развитие цифровой экономики, роботизации, квантовой криптографии требует от электроники увеличения скорости, энергоэффективности, безопасности передачи данных. Сейчас во всем мире идет «гонка» за материалами для электроники с улучшенными или уникальными физико-химическими характеристиками. Одной из быстроразвивающихся тематик современного материаловедения стали двумерные пленки и материалы на их основе. 

Ученые активно исследуют слоистые материалы со слабыми межплоскостными ван-дер-ваальсовыми связями для получения двумерных материалов с уникальными свойствами. Связь Ван-дер-Ваальса имеет не химическую, а электростатическую природу и возникает между молекулами и атомами. Это слабая связь, и в результате такие пленки сложно масштабировать и применять на практике именно из-за непрочности соединения отдельных слоев материала.

Группа российских ученых, куда вошли исследователи ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН», решила попробовать создать пленки, слои которых будут удерживаться вместе сильными химическими связями — ковалентными. Ковалентная связь возникает, когда ядра атомов сближаются и у них возникает общая электронная пара. Такие связи, в частности, формируют структуру некоторых кристаллов. Исследователям удалось найти кристалл, одноатомные пленки которого продолжают удерживаться вместе ковалентными связями даже после расслаивания.

«На сегодняшний день двумерные и слоистые материалы стали основной платформой для разработки оптических устройств следующего поколения благодаря их гигантскому показателю преломления, анизотропии и экситонным свойствам. Однако эти материалы сложно масштабировать и делать технологические процессы из-за их ван-дер-ваальсовых связей, в отличие от традиционных кристаллов, таких как кремний и оксид титана, где все связи ковалентные. В нашей же работе удалось найти материал InGaS₃, который имеет только ковалентные связи, но при этом демонстрирует все свойства, присущие двумерным и слоистым материалам», — сообщил Георгий Ермолаев, научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Ученые провели экспериментальные и теоретические испытания нового материала и описали структурные, колебательные, электронные и оптические свойства полученных образцов. 

«В данной работе при помощи компьютерного моделирования из первых принципов мы предсказали возможность существования и получения двумерного слоя из ранее неизвестного ковалентного кристалла InGaS₃ путем разрыва химических связей вдоль определенного направления. Далее на основе теоретических предсказаний была проведена огромная экспериментальная работа с применением метода микромеханического отщепления по получению двумерных слоев состава InGaS₃ и последующее изучение оптических и электронных свойств материала», — добавил соавтор работы Дмитрий Квашнин, старший научный сотрудник ИБХФ РАН, доцент МФТИ.

Оказалось, что кристалл InGaS₃ обладает высоким коэффициентом преломления (n>2,5) при отсутствии поглощения в видимом и ИК-диапазонах. Это делает его отличным кандидатом для применения в области полностью диэлектрической нанофотоники. Новый материал может применяться в оптике нового поколения для производства сложного медицинского оборудования, интегральных схем, фотонных вычислительных устройств, а также приборов для проекции объемных голограмм.

«В постграфеновую эпоху появилось множество неорганических аналогов графена, таких как гексагональный нитрид бора, дихалькогениды переходных металлов и других. Все эти материалы объединяет то, что они могут быть получены из слоистых объемных кристаллов. Совершенно новым и неожиданным направлением стало получение двумерных структур из ковалентных кристаллов, которые в своей структуре не имеют выделенных слоев. В нашей работе удалось расщепить ковалентный кристалл InGaS₃ вплоть до единичных слоёв. Полученные образцы показали себя перспективными для применения в нанофотонике за счет высокого коэффициента преломления при отсутствии поглощения в видимом и ИК-диапазонах. Важным аспектом при изучении подобных структур является их характеризация c помощью неразрушающих методов, например, таких, как спектроскопия комбинационного рассеяния света. В данном случае, незаменимыми становятся теоретические подходы для описания полученных спектров», — рассказал соавтор работы Александр Орешонков, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории молекулярной спектроскопии Института физики имени Л.В. Киренского КНЦ СО РАН.

Исследование выполнено в рамках программы мегагрантов Правительства РФ (№ 075-15-2021-606). Программа является частью нацпроекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России.