БИОМИМЕТИЧЕСКИЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ
Теоретическая группа
ИБХФ РАН
Основные научные результаты в 2023 году
Оптоэлектронные и оптомеханические свойства малослойных свободнолежащих структур черного фосфора
Совместно с коллегами из Queensland University of Technology (QUT) было проведено исследование оптического и электронного отклика отдельностоящих (free-standing) структур фосфорена под действием внешних механических деформаций. По сравнению с другими двумерными материалами, ширина запрещенной зоны черного фосфора напрямую зависит от толщины образца и может регулироваться также и деформацией. Измерения фототока с помощью ПЭМ показали стабильный отклик на освещение инфракрасным светом и изменение ширины запрещенной зоны при деформации нанохлопьев между двумя электродами, установленными внутри микроскопа. Проведены сравнительные измерения спектров фототока 8- и 6-слойных образцов фосфорена. Проведены DFT расчеты для выявления зависимости ширины запрещенной зоны от одноосного сжатия и деформации изгиба.
Полученные результаты должны помочь найти оптимальные пути создания "умных" оптоэлектронных устройств с контролируемой запрещенной зоной путем изменения количества атомных слоев материала и программируемых деформаций.
Результаты исследования опубликованы в журнале Small (IF=15.153, DOI: 10.1002/smll.202302455)
Исследование композитных материалов на основе фотополимеров и h-BN, полученных с помощью аддитивных технологий
Эффективность электронных устройств на основе микрочипов возрастает по мере развития технологий, в то время как их размеры уменьшаются. Стремительная миниатюризация приводит к значительному перегреву различных электронных компонентов, таких как силовые транзисторы, процессоры и силовые диоды. различных электронных компонентов, таких как силовые транзисторы, процессоры и силовые диоды, а значит и к снижению их срока службы. Одним из перспективных материалов является композит на основе полимера и гексагонального нитрида бора (h-BN).
В данной работе совместно с коллегами из Сколтеха мы провели исследование 3D-напечатанной модели композитного радиатора на основе фотополимера с различными наполнителями из нитрида бора. Получена сильная зависимость теплопроводности таким материалов в зависимости от концентрации h-BN в широком диапазоне температур от 3K до 300 K. Мы получили, что наполнение фотополимера нитридом бора приводит к изменению поведения вольтамперных характеристик, что может быть связано с возникновением перколяционных токов при внедрении нитрида бора.
С помощью ab initio расчетов мы изучили пространственную ориентацию чешуек h-BN под действием внешнего электрического поля на атомарном уровне. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования композитных материалов на основе фотополимеров, наполненных нитридом бора нитридом бора, изготовленных с использованием аддитивных технологий, в современной электронике.
Результаты исследований опубликованы в журнале Polymers (IF=5.0, DOI: 10.3390/polym15051214)
Работа выполнена при поддержке проекта РНФ №21-73-10238 (https://rscf.ru/project/21-73-10238/)
Изучение спектров люминесценции MoS2
Необычные свойства двумерных материалов делают их привлекательными для применения в различных областях. Одной из перспективных ниш являются оптические приложения, где такие материалы демонстрируют чрезвычайно высокую чувствительность и могут быть использованы для маркировки. Однако оптические свойства жидких расщепленных двумерных материалов нуждаются в тщательном анализе.
Целью данной работы является изучение спектров поглощения и люминесценции монослоев MoS2, расщепленных в присутствии холата натрия, который является наиболее часто используемым ПАВ для получения малослойных структур. Для приготовления образов были протестированы различные технологии, такие как ультразвуковая ванна, а также расщепление с использованием высокоскоростного миксера. Расщепление проводилось как в воде, так и в диметилсульфоксиде. Получено, что наилучшее качество нанолистов MoS2 было достигнуто при использовании высокоскоростного миксера и холата натрия в качестве ПАВ. Фотолюминесцентные свойства нанолистов MoS2 незначительно изменялись при изменении концентрации ПАВ в диапазоне от 0,5 до 2,5 мг/мл. Данная работа имеет большое практическое значение для дальнейшего улучшения фотолюминесцентных свойств MoS2 путем химической функционализации.
Результаты исследований опубликованы в журнале Polymers (IF=5.3, DOI: 10.3390/nano13131982)
Работа выполнена при поддержке проекта РНФ № 21-73-10238 (https://rscf.ru/project/21-73-10238/)
Аномально высокое оптическое поглощение графена
Коллективом научных сотрудников из МФТИ и ИБХФ РАН было исследовано оптическое поглощение графена на различных подложках и обнаружено, что поглощение света графеном значительно увеличивается, если он расположен на гексагональном нитрида бора (hBN) по сравнению с графеном на других подложках.
В данной работе при помощи метода сухого переноса, были получены гетероструктуры графен-hBN, графен-SiO2/Si. Затем мы изучили оптические свойства этих структур различными экспериментальными и теоретическими методами, которые показали, что в случае подложки из гексагонального нитрида бора графен поглощает значительно большее количество света.
В более широкой перспективе данные исследования показывают, что универсальное оптическое поглощение чистого и нетронутого графена может быть изменено в диэлектрической среде.
Работа опубликована в журнале Communications Physics (IF=6.1, DOI: 10.1038/s42005-023-01129-9).
Основные научные результаты в 2022 году
V3S4 - Новый двумерный наноматериал, перспективный для применения в сенсорике
Газовые сенсоры нового поколения характеризуются высокой эффективностью и низким энергопотреблением, поэтому поиск двумерных материалов, подходящих для применения в качестве магнитных газовых сенсоров при комнатной температуре, является критически важной задачей для современного материаловедения.
В нашей работы мы предсказали ультратонкий двумерный антиферромагнитный материал V3S4, который, помимо стабильности и уникальных электронных свойств, демонстрирует большой потенциал для применения в магнитной сенсорике. Результаты квантово-механических расчетов свидетельствуют об антиферромагнитном основном состоянии V3S4, которое проявляет полупроводниковые электронные свойства с шириной запрещенной зоны 0,36 эВ. Результаты исследований также свидетельствуют о значительном электронном и магнитном отклике на адсорбцию молекул NH3, NO2, O2 и NO на поверхность V3S4. Результаты показали перспективность использования V3S4 в качестве сенсорного материала нового поколения для обнаружения NO2 и NO, а также в реакциях восстановления кислорода. Необходимо отметить, что обнаружение и восстановление NO2 и NO имеют большое значение для сохранения условия окружающей среды.
Работа опубликована в журнале Nanomaterials (IF=5.346, DOI: 10.3390/nano12050774)
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 20-53-05009 Arm_a
Новые двумерные материалы для создания проводящих контактов и сенсорных применений
Монослой дисульфида молибдена (MoS2) является перспективным полупроводниковым материалом для создания полевых транзисторов, широко использующихся в современных электронных и радиоустройствах (например, в наручных часах или в пультах телевизоров). Характеристики полевых транзисторов в значительной степени зависят от качества контактов между материалом-полупроводником и металлическими электродами, поэтому важной задачей является поиск материалов, подходящих для создания металлических контактов с полупроводниковым монослоем MoS2.
Сотрудники теоретической группы “Биомиметические наноматериалы” ИБХФ РАН провели детальное теоретическое исследование возможных монослойных наноматериалов, состоящих из Mo и S, и впервые предложили новую двумерную структуру – Mo3S4, которая проявляет металлические свойства и может образовывать атомарно-гладкие границы с полупроводниковой фазой MoS2. Преимущество данной структуры заключается в том, что ее получение возможно из монослоя MoS2, содержащего вакансии атомов серы.
Работа опубликована в журнале Applied Surface Science (IF=7.392, DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.152971)
Неожиданные оптические свойства механически расщепленных слоев InGaS3
С помощью теоретического моделирования предсказана возможность механического расщепления ковалентного неслоистого кристалла InGaS3 на тонкие пленки толщиной до ~1,7 нм
Экспериментально, методом механического расщепления получены тонкие пленки InGaS3, в которых обнаружен неожиданно высокий коэффициент преломления (>2.5) при отсутствии поглощения в видимом и ИК диапазонах. Это делает такой материал кандидатом для применения в области диэлектрической нанофотоники.
Работа опубликована в журнале npj 2D Materials and Applications (IF=12.043, DOI: 10.1038/s41699-022-00359-9)
Основные научные результаты в 2021 году
Новая двумерная структура из фрагментов молекул металлоценов
Металлорганические соединения привлекают к себе внимание исследователей благодаря уникальным физико-химическим свойствам. Одним из наиболее известных металлорганических соединений является молекулы металлоценов.
В нашей работе мы предложили новые стабильные сэндвичевые двумерные металлоценоподобные структуры, которые получили названия t-MCp2 и m-MCp2. Расчет электронной структуры показал, что железосодержащие структуры проявляют полупроводниковые свойства, а кобальтсодержащие структуры проявляют свойства полуметаллических ферромагнетиков. Исследование оптических свойств новых структур показало появление пиков в УФ области и в видимом диапазоне света по сравнению с чистыми углеродными структурами, что указывает на возможность применения таких соединений в фотоиндуцированных каталитических реакциях, поскольку в рассмотренных структурах атом металла в решетке углерода может изменять свою степень окисления, что особенно важно для данных реакций.
Работа опубликована в журнале Carbon (IF=9.594, DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.08.074)
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №21-73-20183
.png)
Квазикристаллы диамана
Квазикристаллы – это структуры с квазипериодическим упорядочением без пространственной периодичности. Квазикристаллы представляют большой интерес для исследователей с момента их открытия Дэном Шехтманом в 1984 году благодаря их уникальным трехмерным структурам и их свойствам. С момента открытия было сообщено и подтверждено существование сотен квазикристаллов различного состава.
В нашей работе мы изучили первый двумерный углеродный квазикристалл, полностью состоящий из sp3-гибридизованных атомов, а именно квазикристалл диамана.
Эта наноструктура основана на несоизмеримой решетке двух графеновых слоев, повернутых друг относительно друга на угол 30° с полностью гидрированными или фторированными поверхностями. Здесь гидрирование/фторирование слоев приводит к образованию межслоевых ковалентных связей.
В работе проведен подробный анализ особенностей атомной структуры квазикристалла. Методами DFT и MD проведены исследования термодинамической стабильности, а также электронных и механических свойств. Сравнение с периодическими аппроксимантами и AB-диаманами показывает, что квазикристаллическая структура является более жесткой и более хрупкой.
Наше исследование показывает, что квазикристаллический диаман является перспективным материалом, открывающим новый путь к синтезу неорганических квазикристаллов различного состава с уникальным набором физико-химических свойств.
Результаты работы были опубликованы в журнале Applied Surface Science (IF=6.707, DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151362).
Изменение зарядов одиночных атомов на поверхности интеркалированных дихалькогенидов переходных металлов
Манипулирование зарядом одиночного атома открывает перспективы создания устройств спиновой электроники и памяти высокой емкости. Основная проблема заключается в упорядочении атомов металла, способных менять свое зарядовое состояние на поверхности материала. Ранее для этих целей использовалось искусственное нанесение атомов металла на диэлектрическую подложку. В работе под руководством чл.-корр. РАН Стрельцова Сергея Владимировича (ИФМ УрО РАН) с коллегами из США, Китая и при участии наших сотрудников был исследован кристалл NbS2Co1/3, представляющий собой слои дисульфида ниобия, интеркалированные атомами кобальта. При расщеплении такого кристалла открывается поверхность NbS2, покрытая упорядоченным слоем из атомов кобальта.
В работе было показано, что, подавая импульс на иглу туннельного микроскопа, возможно переводить выбранные атомы металла в долгоживущее метастабильное состояние, детектирование которого также возможно при помощи методов туннельной микроскопии. При этом возможно совершать и обратное переключение атомов металла в основное состояние.
Методами компьютерного моделирования была выполнена верификация полученных в эксперименте микроскопических изображение атомного разрешения. А исследование в рамках теории функционала электронной плотности показало, что стабилизация метастабильных состояний возможна благодаря измененному кристаллическому полю на поверхности NbS2. Полученные результаты открывают перспективы для дальнейшего исследования интеркалированных материалов для применения в спиновой электронике и устройствах хранения данных высокой плотности.
Результаты работы были опубликованы в журнале Nano Letters (IF=11.189, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03706).
Внутримолекулярный транзистор на основе одностенных УНТ
Создан внутримолекулярный транзистор на основе одностенных углеродных нанотрубок (УНТ). Применение сильного нагрева и механических деформаций в контролируемом режиме позволило локально изменять хиральность отдельных УНТ внутри просвечивающего электронного микроскопа. Растяжение нагретой металлической УНТ приводило к изменению хиральности сегмента УНТ, который становился полупроводником, создавая таким образом внутримолекулярный нанотрубный транзистор. Длина канала транзистора составляла всего 2,8 нм.
В полученных транзисторах наблюдалась когерентная квантовая интерференция электронов при комнатной температуре, означающая возникновение энергетических барьеров в местах контакта металлической и полупроводниковой УНТ. Наблюдаемые эффекты являются аналогом интерференции на атомарном уровне, а полученное устройство – квантовым интерферометром Фабри–Перо.
Результаты работы свидетельствуют о перспективах контролированного изменения хиральности одностенных углеродных нанотрубок, что решает самую главную проблему этого наноматериала и приближает практическое применение данных наноструктур для создания уникальных нанотранзисторов и, впоследствии процессоров нового поколения без использования кремния.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science (IF=41.845, DOI: 10.1126/science.abi8884)
Расшифрована атомная 2D-структура оксинитрида бора
С момента синтеза графена крайне интересной задачей современного материаловедения является получение нового двумерного материала с управляемыми свойствами. Успешной попыткой создания такого материала можно назвать синтез оксинитрида бора (BNO), совмещающего в себе структуру (атомную и электронную) гексагонального нитрида бора и примесные атомы кислорода.
Первые работы по синтезу BNO говорили о том, что атомы кислорода в таком материале находятся в положении замещения атомов азота, однако недавние исследования показали, что внедрение кислорода может изменять гексагональную кристаллическую структуру нитрида бора, что ведет к появлению новых электронных свойств этого материала.В ходе исследований было показано, что легирование кислородом приводит к образованию специфических двумерных материалов с более дефектной и менее плотной структурой. Это связано с тем, что расположение атомов кислорода с образованием эпоксидного мостика является энергетически выгодным положением при определенной концентрации по сравнению с позицией замещения. Это также привело к появлению локальных дипольных моментов, которые могут придать структуре необычные пьезоэлектрические свойства, иными словами, возрастает вероятность возникновения и усиления электрических импульсов при механическом воздействии.
Результаты исследований новой двумерной структуры BNO имеют прикладное значение в нано- и оптоэлектронных устройствах, таких как преобразователи солнечной энергии и элементы гибкой электроники.
Работа опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics (IF=3.676, DOI: https://doi.org/10.1039/D1CP03754D)
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №21–73-10238 и гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых и по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации МК-3120.2021.1.2.
Основные научные результаты в 2020 году
Гексагональный NaCl на алмазной подложке
С помощью эволюционного алгоритма впервые была предсказана возможность образования графеноподобного слоя NaCl на поверхности алмаза. В сотрудничестве с учеными из МГУ и Skoltech был проведен экспериментальный синтез таких объектов.
Было показано, что благодаря сильной связи между пленкой и алмазной подложкой, а также наличию обширной запрещенной зоны, гексагональный NaCl может эффективно использоваться в качестве диэлектрика для защиты затвора в алмазных полевых транзисторах от пробоя, которые, в свою очередь, имеют широкие перспективы для практического применения в электромобилях, радарах и др. Сравнение между экспериментальными и теоретическими данными электронной дифракции и рентгеновской спектроскопии подтвердило существование нового материала на основе NaCl с гексагональной структурой.
Работа опубликована в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters (IF = 6.71, DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c00874)
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №18-73-10135
Многослойные структуры щелочных металлов в двухслойном графене и MoS2: теоретическое моделирование
Сотрудники группы (с.н.с. З.И. Попов) совместно с международный коллективом учёных их МИСиС (Россия), HZDR (Германия), Институт Макса Планка (Германия) провели теоретическое исследование образования структур щелочных металлов в межслоевом пространстве двуслойного графена и MoS2.
Было показано, что ёмкость предсказанных структур (мА∙ч∙г-1) превышает теоретическую ёмкость графита (372 мА∙ч∙г-1).
Также было установлено, что многослойные структуры натрия в двухслойном графене, обладают большей стабильностью по отношению к однослойным.
Работа опубликована в журнале Nano Energy (IF = 16.602, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104927)
Новый композит из графена и сплава Гейслера Co2Fe(Ga0.5Ge0.5) для высокопроизводительных спинтронных устройств
Рассмотренный в работе материал представляется перспективным для устройств магнитной памяти с повышенной плотностью записи. Ранее в устройствах магнитной памяти не использовался графен.
В представленной работе удалось получить новую гетероструктуру (графен/сплав Гейслера), которая, как оказалось, демонстрирует несколько удивительных особенностей, таких как квазисвободная природа графена и сохранение полуметаллической зонной структуры сплава Гейслера на границе раздела. Эта работа предлагает новый взгляд на будущее развитие передовых спинтронных устройств для хранения данных.
Синтез и экспериментальное исследование проведено в сотрудничестве с National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology QST (Япония).
Работа опубликована в журнале Advanced Materials (IF = 27.398, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202070043)
Спиновая поляризация в гетероструктурах графен/MoX2* (X = S, Se; * = F, Cl, Br, I)
Сотрудниками группы было проведено квантово-механическое исследование свойств гетероструктур на основе монослоев графена и дихалькогенидов молибдена, допированных атомами галогенов. Установлено появление спиновой поляризация на графене, зависящая от периодического номера примесного атома галогена. Максимальное значение спиновой поляризации на графене 60% наблюдается в случае примесей йода.
Кроме того, был предложен возможный метод обнаружения атомов-допантов на поверхности MoX2 даже при наличии нанесенного на поверхность слоя графена с помощью измерений СТМ.
Работа опубликована в журнале Nanoscale (IF = 6.895, DOI: https://doi.org/10.1039/D0NR06287A)
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №18-73-10135
Управление оптическими свойствами бислойных графеновых наносеток путем приложения внешних механических деформаций
Были рассмотрены перспективные наноструктуры – двухслойный графен с периодически расположенными нанопорами.
Проведенные квантово-механические расчеты показали, что под действием внешних механических напряжений возможно не только изменять оптические свойства (управлять спектром поглощения в зависимости от приложенной величины деформации), но и изменять электронный спектр и управлять шириной запрещенной зоны.
Полученные результаты демонстрируют перспективность предлагаемых объектов для таких областях, как опто- и наноэлектроника, а также фотоника. Кроме того, такие структуры могут применяться в качестве основных элементов гибкой и нательной электроники
Работа опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces (IF = 8.758, DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.0c17060)
