Создание и изучение двумерных (2D) материалов — молодое и очень перспективное направление современного материаловедения. Для таких материалов характерна очень малая (часто менее одного нм) толщина, поэтому их можно использовать для создания слоистых гетероструктур, которые используются в современной электронике, от транзисторов до датчиков, солнечных элементов и светодиодов. Сотрудники Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») активно исследуют технологии получения и свойства множества двумерных наноматериалов.

Все дело в тонком слое

Основная особенность двумерного материала в том, что все его атомы находятся в поверхностном слое. В химии и кристаллографии это означает, что каждый элемент площади материала имеет множество свободных или нескомпенсированных («висячих») связей. Это обусловливает повышенную химическую активность таких материалов, а также существенную разницу в свойствах по сравнению с массивным состоянием. Свободные связи дают возможность изменения их функций за счет модификации поверхностности.

Самый известный двумерный материал — графен, его открытие в 2010 году было отмечено Нобелевской премией по физике. Графен обладает высокими значениями электро- и теплопроводности и достаточно прочен при растяжении на разрыв. В то же время он образует складки и нестабилен в качестве отдельной свободно висящей пленки.

Эту проблему решают современные методики создания «армированного» графена. Кроме того, разработаны технологии получения бездефектных пленок графена большой площади, применимых в качестве прозрачных электродов для различной техники. Созданы также методы получения отдельных хлопьев оксида графена, которые активно внедряются в качестве функциональных наполнителей для полимерных композитов.

По типу проводимости графен ближе всего к металлам, что затрудняет его применение для создания элементов логических схем. Поэтому для применения в электронике, для создания датчиков и сенсоров активно изучаются другие двумерные материалы — халькогениды переходных металлов. Они характеризуются полупроводниковыми свойствами и различаются типами проводимости.

Ученые исследуют и более сложные двумерные структуры вроде «максенов» (MXene) с рядом уникальных для керамики свойств, высокой проводимостью и возможностью пластической деформации.

По сути, каждый новый двумерный материал интересен для науки своими свойствами и может найти себе применение в технике.

Осадить, помолоть или сделать хлопья?

Исследователи сегодня разрабатывают различные способы получения 2D-материалов. Метод химического осаждения из газовой фазы позволяет создать качественные пленки многих двумерных материалов (хотя его реализация обходится довольно дорого). Методы химической эксфолиации слоистых материалов позволяют получать дисперсии и хлопья толщиной в несколько атомных слоев.

Существуют методы с использованием высокоэнергетического помола в планетарных мельницах и комплексные методы, где получают промежуточные фазы, а затем за счет химического воздействия расслаивают материал на очень тонкие чешуйки. Метод высокоинтенсивной ультразвуковой кавитации помогает получать двумерные структуры из массивного состояния.

Каждый метод существенно влияет на свойства получаемого материала. Так, для создания электронных устройств наиболее перспективны методы химического осаждения из газовой фазы или атомно-слоевого осаждения, позволяющие точно контролировать толщину и размер структурных элементов, чистоту и морфологию материала.

Несмотря на то, что сейчас самые качественные пленки получают методом химического осаждения из газовой фазы, в первых работах Гейм и Новоселов сделали измерения на графене, полученном с помощью скотча, на очень маленьких по площади чешуйках. Сегодня дисперсии сверхтонких чешуек, готовых к применению, уже есть в свободной продаже.

Методы получения других материалов пока отрабатываются в лабораториях, но, как только ученые найдут наиболее перспективное направление их внедрения, технология не заставит себя долго ждать.

2D-материалы в России

Сотрудники кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС» разрабатывают халькогениды переходных металлов для солнечных элементов, светодиодов и сенсоров. Они также исследуют оксид графена как покрытие, повышающее коррозионную стойкость различных типов стали, и способы получения «максенов», представляющих собой слоистые карбиды титана и ванадия, для которых уже показаны интересные результаты.

«Активное взаимодействие нашего коллектива с профессором итальянского университета „Тор Вергата“ Альдо Ди Карло по теме двумерных наноматериалов привело к получению мегагранта и созданию новой лаборатории. Значительная часть работ лаборатории направлена на применение нескольких типов двумерных наноматериалов для создания перовскитных солнечных элементов», — рассказал РИА Новости старший научный сотрудник кафедры Дмитрий Муратов.

По его мнению, это пример эффективно налаженного взаимодействия: материаловеды синтезируют и исследуют свойства новых материалов, наиболее подходящих для применения в солнечных элементах, специалисты по полупроводниковым устройствам создают сами устройства и исследуют их рабочие параметры.

«Кроме того, мы активно сотрудничаем по получению и исследованию свойств композитов с Центром композиционных материалов НИТУ „МИСиС“, группой Андрея Степашкина. Я выступал с докладами о нашей работе по композитам с наноструктурным нитридом бора перед зарубежными коллегами, например, в Испании на конференции ISMANAM », — сообщил Дмитрий Муратов.

Он рассказал, что ученые НИТУ «МИСиС» создали композиты, которые проводят тепло гораздо лучше традиционных стеклотекстолитов. Полимерной основой стал полиэтилен высокой плотности, а наполнителем — нитрид бора, обработанный для достижения нужных свойств. С точки зрения вторичной переработки, полученные материалы оказались выгоднее распространенных аналогов, кроме того, они способны решить проблему перегрева печатной платы в электронике.

Международное сотрудничество

Сегодня НИТУ «МИСиС» активно развивает сотрудничество в области синтеза двумерных материалов и изучения их свойств с Университетом Небраска-Линкольн (США). Оно началось после объявления в НИТУ «МИСиС» в рамках федеральной программы «Проект 5-100» конкурсов, направленных на развитие инфраструктуры. Эти конкурсы предусматривают приглашение ведущего ученого для руководства научным коллективом и проведения исследований на одну из перспективных тем.

«К нам был приглашен профессор Александр Сергеевич Синицкий, который в основное время работает в Университете Небраска-Линкольн. В 2016 году мы подали совместную заявку по двумерным наноматериалам на один из конкурсов и выиграли его. После этого началось наше активное сотрудничество, в рамках которого я стажировался в США в лаборатории Александра, чтобы применить полученный опыт для создания экспериментальной базы и у нас на кафедре», — рассказал Дмитрий Муратов.

По его словам, это привело к международному обмену опытом магистров, аспирантов и сотрудников кафедры. В результате сотрудничества опубликован ряд совместных работ по двумерным наноматериалам в ведущих международных журналах и налажена установка по их синтезу методом химического осаждения из газовой фазы.

Так, ученые представили в научном журнале Nanotechnology результаты своей работы с оксидом молибдена (MoO2). Они получили методом химического осаждения из газовой фазы двумерный материал, который затем всесторонне исследовали с помощью аналитических методов. Например, в научном журнале ACS Nano недавно была опубликована статья о сульфиде титана.

«Уже показаны очень хорошие результаты по проводимости полученного материала и возможности получения очень тонких и проводящих слоев MoO2 (в данном случае кристаллов), стабильных на воздухе, на различных по своей природе подложках. Полученные результаты мы будем использовать в наших дальнейших исследованиях», — заявил Дмитрий Муратов.

По его словам, новый материал можно будет применять для создания гетероструктур и наноустройств — транзисторов, сенсоров, фотодетекторов и так далее. Сейчас создаваемые НИТУ «МИСиС» вместе с Университетом Небраска-Линкольн материалы внедряются в качестве транспортных слоев для тонкопленочных солнечных элементов, светодиодов и сенсоров. Развивается и направление создания полимерматричных композитов, наполненных двумерными наноматериалами.