Российские физики расщепили ковалентный кристалл из сульфида индия и галлия, перспективный для использования в электронике, и изучили оптические характеристики полученных тонких пленок. Этот кристалл имеет только ковалентные связи, но при этом продемонстрировал все свойства, присущие двумерным и слоистым материалам. Он найдет применение в области диэлектрической нанофотоники, например наномедицины, для создания тонких линз с переменным фокусным расстоянием или даже объемных голограмм.

Работа опубликована в журнале «npj 2d Materials and Applications».

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 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», — говорит 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.

(a) Оптическая фотография кристалла InGaS₃; (b) предполагаемое направление разрыва связей; (c-d) фотографии атомно-силовой микроскопии полученных двумерных объектов; (e) показатель преломления в сравнении с типовыми материалами с (e) высоким показателем преломления и (f) узким диапазоном поглощения. Вставка отражает оптическую запрещенную зону и соответствующий показатель преломления

«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.

Над научным исследованием работали ученые Московского физико-технического института (МФТИ), Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля (ИБХФ) РАН и Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

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