Российские ученые узнали о неожиданных свойствах тонких пленок ковалентного кристалла

Российские ученые расщепили ковалентный кристалл InGaS₃, перспективный для использования в качестве материала для электроники, и изучили оптические характеристики полученных тонких пленок. Они выяснили, что этот кристалл имеет только ковалентные связи, но при этом демонстрирует все свойства, присущие двумерным и слоистым материалам. За счет этого кристалл InGaS₃ подходит для применения в области диэлектрической нанофотоники, наномедицины, создания тонких линз с переменным фокусным расстоянием или даже объемных голограмм.

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

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.

В последнее десятилетие исследования показали перспективность слоистых материалов со слабыми межплоскостными ван-дер-ваальсовыми связями для получения двумерных материалов с уникальными свойствами. Внимание ученых сконцентрировалось на получении низкоразмерных материалов и тонких пленок путем расслаивания ковалентных кристаллов химическими и ультразвуковыми методами. Такая технология приводит к появлению нового класса материалов и расширяет их потенциальные области применения.

«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 научный сотрудник МФТИ Георгий Ермолаев.

Ученые провели экспериментальные и теоретические испытания нового материала и описали структурные, колебательные, электронные и оптические свойства полученных образцов.

«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, старший научный сотрудник ИБХФ РАН, доктор физико-математических наук Дмитрий Квашнин.

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.

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

Рисунок 1. (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.