Исследователи из Сколтеха, Университета Тромсе — Арктического университета Норвегии, Института химии твердого тела и механохимии СО РАН и их коллеги выполнили теоретический анализ свойств сверхтонких алмазных пленок и определили, какие из них наиболее пригодны для дисплеев с автоэлектронной эмиссией. Эту разновидность плоских экранов первоначально разрабатывали наравне с господствующими сейчас жидкокристаллическими дисплеями.

И, возможно, альтернативную технологию рано списывать со счетов. Потенциальные преимущества — низкое энергопотребление, широкий угол обзора и безынерционность: пиксели меняют цвет быстро.

Исследование опубликовано в журнале первого квартиля ACS Applied Materials & Interfaces.

Диаман — сверхтонкая алмазная пленка, которая получается, если положить друг на друга два и более слоя графена и присоединить к внешним поверхностям этой многоэтажной конструкции атомы фтора, водорода или некоторых других элементов. В результате графен искривляется и его слои соединяются в плоский алмаз. Как раз такой материал может по своим электронным свойствам подойти для дисплеев компьютеров, телефонов, телевизоров с автоэлектронной эмиссией. Однако свойства диаманов трудно поддаются вычислению и зависят от многих параметров.

Старший преподаватель Сколтеха Александр Квашнин из Проектного центра по энергопереходу защитил кандидатскую диссертацию на тему свойств диаманов и выступил одним из авторов нового исследования, которое он прокомментировал так: «Мы рассмотрели различные диаманы с точки зрения влияния ряда факторов на их электронные свойства, а значит и на их применимость в дисплеях с автоэлектронной эмиссией. Всего было рассмотрено 60 сверхтонких алмазных пленок — это число получается, если перемножить три переменные. Во-первых, количество слоев углерода могло быть от одного до шести. Во-вторых, тип атомов, покрывающих поверхность пленок: фтор или водород. В-третьих, слои графена можно двигать относительно друг друга, в данном случае изучались пять вариантов их взаимной ориентации».

Ключевая характеристика, которую исследователи рассчитали для каждой из 60 конфигураций диамана, — сколько энергии требуется, чтобы выбить электрон с поверхности алмазной пленки. Этот параметр важен для дисплеев с автоэмиссией, поскольку излучение электронов как раз используется в них, чтобы зажигать пиксели, из которых складывается изображение на экране. Чем меньше энергии при этом расходуется, тем лучше, а зависит эта величина от так называемой запрещенной зоны материала: какие энергетические состояния в нем доступны электронам, а какие нет. Запрещенная зона тоже рассчитывалась и исследовалась авторами статьи.

Вывод: наиболее подходящая для дисплеев конфигурация диамана — шесть слоев, гидрирование (то есть водород, а не фтор) и ориентация углеродной пленки с поверхностью (2̅110).

Диаман — сверхтонкая алмазная пленка из атомов углерода (серые шарики), которые перешли из графеновой в алмазную кристаллическую структуру из-за того, что часть связей оказалась занята атомами фтора (розовые шарики). До присоединения к внешним поверхностям атомов фтора, углерод пребывал в форме двух плоских слоев с решеткой в виде шестиугольных сот / ©Сколтех

Старший научный сотрудник Кристиан Тантардини из ИХТТМ СО РАН и Арктического университета Норвегии — первый автор исследования и выпускник аспирантуры Сколтеха. Он рассказал: «Помимо электронных свойств нами были определены поверхностные дипольные моменты посредством создания полуколичественного подхода на основе шкалы электроотрицательности, разработанной мной и профессором Огановым в Сколтехе. Данный подход позволяет избежать сложных и долгих первопринципных расчетов и спрогнозировать реакционную способность поверхности новых двумерных материалов».

Поверхностные дипольные моменты влияют на электронные свойства диаманов, в том числе на эмиссию электронов, поэтому полученная информация ценна для разработки дисплеев с автоэлектронной эмиссией и подбора альтернативных материалов для этих устройств.