Хіміки отримали перший почесний напівпровідник з атомних кластерів

Хіміки отримали перший почесний напівпровідник, що складається з пов'язаних між собою атомних кластерів. На відміну від відомих матеріалів, одиничний елемент такого кристала - не окремий атом, а октаедричний атомний кластер з атомів ренія і селену, пишуть вчені в.

Почесні напівпровідники вважаються перспективними матеріалами для електронних пристроїв наступного покоління. Однак зараз клас цих матеріалів досить вузький і практично у всіх дослідження в якості почесних напівпровідників розглядаються тільки дихалькогеніди перехідних металів. В першу чергу, це дисульфід молібдену, однак є й інші перспективні напівпровідникові матеріали з аналогічною гексагональною структурою. Зокрема, потенційно навіть більш перспективним вважається не дисульфід, а дителлурид молібдену, у якого ширина забороненої зони відповідає енергетичним переходам у сучасній кремнієвій електроніці.

Група хіміків з США, Італії та Франції під керівництвом Сяояна Чжу (Xiaoyang Zhu) з Колумбійського університету показала, що клас почесних напівпровідників не обмежується дихалькогенідами перехідних металів і взагалі атомними кристалами, а отримувати такі матеріали можна і з більш складних структур, зокрема, з атомних кластерів. В якості одиничного елемента почесної структури вчені запропонували взяти атомний кластер з атомів ренія і селену складу Re₆Se₈Cl₂.

Відомо, що ці кластери утворюють тривимірні кристали - так звані октаедричної фази Шевреля, в яких кластери зв'язуються ковалентними зв'язками в слоїсту структуру. Кожен кластер складається з октаедрів, що складаються з 6 атомів ренія, вписаних в куб з атомів селену. По боках кластери пов'язані один з одним ковалентними зв'язками, а зверху і знизу кластери [Re₆Se₈] обмежуються атомами хлору. Один з одним шари пов'язані ван-дер-ваальсовими зв'язками, які набагато слабші ковалентних і дозволяють розділяти тривимірний кристал на окремі акціонерні шари. Щоб відокремити степерні шари від тривимірного кристала автори роботи використовували метод ексфоліації, відриваючи невеликі почесні ділянки кластерної структури від тривимірного кристала Re₆Se₈Cl₂ за допомогою скотчу (як це робили Костянтин Новоселов і Андрій Гейм з графеном, відриваючи його скотчем від графіту).

В результаті такої методики вчені отримали прямокутні фрагменти почесних кристалів товщиною близько 15 нанометрів. Автори роботи відзначають, що домогтися отримання моношару їм поки не вдалося, проте в найближчому майбутньому вони планують модифікувати метод отримання таким чином, щоб можна було контролювати кількість шарів в орному кристалі і отримувати одношарові структури.

На відміну від дихалькогенідів молібдену і вольфраму, кластери утворюють не гексагональну решітку, а покладені в решітку, дуже близьку до квадратної (сторони однієї комірки з решіткою дорівнюють 6,5 і 6,6 ангстрема, а кут між сторонами становить 89 градусів), що відповідає і параметрам, характерним для тривимірного кристала.

Електронні та оптичні властивості отриманого ^ ерного напівпровідника теж виявилися досить близькими до властивостей його тривимірного аналога. Ширина забороненої зони цього матеріалу, вимірена за допомогою ультрафіолетової спектроскопії і додатково розрахована чисельно з використанням методу функціоналу щільності, склала 1,58 електронвольту. Для оптичних переходів значення трохи менше: 1,48 електронвольту, - що пов'язано з непрямою структурою забороненої зони. Автори роботи зазначають, що ці параметри характерні для почесного кристала, що складається з декількох шарів, а в межі моношару ширина забороненої зони (яка все ще буде залишатися непрямою) повинна збільшитися приблизно до 1,78 електронвольту. Крім того, вчені показали, що електронними властивостями матеріалу можна додатково керувати за рахунок допування його електронами, змінюючи кількість дефектів у підрешітці хлору на поверхні (аналогічним чином у диселеніді молібдену можна зробити, варіюючи кількість атомів сірки).

Вчені відзначають, що отриманий ними матеріал - перший з класу кластерних почесних напівпровідників. Основними напрямками подальших досліджень автори роботи називають удосконалення технології отримання таких матеріалів (щоб можна було керувати кількістю шарів), контроль за їх електронними та фононними властивостями, а також пошук нових аналогічних матеріалів з досить сильним ковалентним зв'язком між атомними кластерами для можливості утворення акціонерних кристалів.

Напівпровідникові кристали вже зараз застосовуються для отримання нанотранзисторів, які можуть бути використані в нано- і мікроелектронних пристроях. Для керування електронними властивостями таких матеріалів: структурою енергетичних зон, концентрацією і рухливістю носіїв заряду - вчені пропонують використовувати ферромагнітні підкладки, які змінюють електронну структуру за рахунок зеемановского розщеплення, і додаткові шари з негативною ємністю або збуджуючи в почесних кристалах фонони, закручені незвичайним чином.