Український науковець створив новий графеноподібний напівпровідниковий матеріал. Керівник Чернівецького відділення Інституту проблем матеріалознавства (ІПМ) імені І.М. Францевича НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Захар Дмитрович Ковалюк відкрив надтонкі наноплівки шаруватого кристала моноселеніду індію (InSe) з унікальними можливостями. Наприклад, застосування моноселеніду індію в перспективі може спричинити революцію в наноелектроніці, вважають дослідники.
Графенова перспектива
Не секрет, що сучасна напівпровідникова промисловість буквально «задихається» через відсутність суттєвих технологічних проривів. Саме тому нові покоління комп’ютерів пропонують лише лічені відсотки зростання продуктивності. Великі надії розробники покладають на графен – це матеріал із шарів графіту товщиною один атом. Він придатний для виготовлення надшвидких процесорів та ємнісних акумуляторів.
Графен був першим 2D-кристалом, експериментально одержаним ще 2004 року в Манчестерському університеті британськими вченими російського походження Андрієм Геймом і Костянтином Новосьоловим. У 2010 році за це епохальне відкриття їм було присуджено Нобелівську премію в галузі фізики. Графен має товщину в один шар атомів вуглецю та характеризується унікальними властивостями, які роблять його практично ідеальним для застосування в електронних приладах. Зокрема, графен відрізняється безпрецедентно високою рухливістю електронів, добре проводить струм і тепло.
Проблемою цього матеріалу є відсутність в нього так званої забороненої зони – інтервалу енергій, які заборонено мати електрону. Наявність такої зони є вкрай бажаною, адже вона дає змогу проводити або не проводити електричний струм. Це дозволяє створювати такі найважливіші елементи сучасної напівпровідникової електроніки, як діоди й транзистори. Саме тому вчені активно шукають матеріали з високою рухливістю електронів і наявністю забороненої зони.
Моноселенід індію
Наноплівки моноселеніду індію отримали з масивних зливків шаруватих кристалів InSe, подібних за своєю структурою до графіту, з якого отримали графен. Шаруватий кристал моноселеніду індію відомий уже впродовж багатьох років, однак лише 2013 року вчені вперше спробували виокремити з нього атомарно тонкі плівки. Виконати це завдання, а також дослідити оптичні й електричні властивості шарів завтовшки від одного до декількох нанометрів вдалося тільки у 2016 році.
Спільна робота українських і британських науковців дозволила отримати з кристалу InSe один шар. Цікаво, що, як і при першому отриманні графену у 2004 році, для відлущення зайвих шарів моноселеніду індію використовувалася звичайна клейка стрічка – «скотч». Товщина такого матеріалу складає від одного шару (~0,83 нм) до кількадесяти шарів. На відміну від графену, який складається з одноатомного шару (або ж моношару) вуглецю, моноселенід індію є бінарною сполукою атомів індію (In) та селену (Se) – завтовшки в чотири атоми, розташованих у послідовності Se-In-In-Se.
Наразі науковцям відомий тільки один двовимірний напівпровідниковий кристал, який за своїми електричними властивостями міг би скласти конкуренцію InSe, – чорний фосфор. Проте моноселенід індію, маючи не гірші електричні параметри, має суттєву перевагу над чорним фосфором, а саме – високу стабільність до умов навколишнього середовища.
Унікальні властивості
Учені встановили, що надтонкі наношари моноселеніду індію мають унікальні властивості, які якісно вирізняють його серед решти графеноподібних двовимірних (2D) кристалів. В отриманих зразках моноселеніду індію рухливість електронів є найвищою. Цей параметр матеріалу є надзвичайно важливим з точки зору підвищення швидкодії приладів, які можуть бути створені на його основі.
Ще одна цікава властивість моноселеніду індію полягає в тому, що, на відміну від дихалькогенідів та кремнію, цей кристал є так званим прямозонним напівпровідником. Це робить його особливо перспективним для використання в оптоелектроніці. Крім того, ширина забороненої зони InSe суттєво залежить від товщини його шарів. Можливість змінювати ширину забороненої зони цього матеріалу, добираючи наноплівки різної товщини відкриває широкі можливості для його застосування в оптоелектронних приладах, здатних функціонувати в широкому спектральному діапазоні – від ближньої інфрачервоної до видимої зони. Такого ефекту неможливо досягти в інших графеноподібних 2D-напівпровідниках.
Перспективи застосування
На думку вчених, у нового матеріалу є широкі перспективи подальшого практичного застосування, оскільки його наношари при поєднанні з графеном і деякими іншими функціональними 2D-кристалами мають всі шанси скласти конкуренцію кремнію (Si) як основному матеріалу сучасної електроніки та навіть замінити його. З допомогою цих наноматеріалів створюватимуться швидші та гнучкіші електронні пристрої з надзвичайно низьким енергоспоживанням, сподіваються науковці.
За матеріалами: прес-служби НАН України
