Человечество уже умеет превращать свет в электричество и создавать аккумуляторы без химических реакций. Но пока у таких устройств очень низкий коэффициент полезного действия. Самые лучшие показатели дают наноматериалы на основе двумерных структур, однако их очень сложно получать, да и свойства их контролировать не получается. Если бы удалось контролируемо менять один из ключевых параметров наноматериалов — ширину запрещенной зоны, которая определяет характер и величину проводимости вещества, это бы кардинально перевернуло сферу наноразмерной полупроводниковой электроники, оптоэлектроники и спинтроники: в промышленных масштабах создавались бы материалы именно с теми свойствами, которые нужны для данного устройства. Сейчас их изготавливают «из того, что есть». Возможность такого контролируемого изменения оптических, электронных и магнитных свойств в двумерных материалах предсказана достаточно давно. Однако, несмотря на большие усилия, ученым никак не удавалось экспериментально подтвердить теоретические предсказания, пока за дело не взялась команда профессора Дмитрия Гольдберга.
«Коллективу ученых из НИТУ „МИСиС“ (Москва, Россия), Национального института материаловедения (NIMS, Япония), Пекинского транспортного университета (КНР), Технологического университета Квинсленда (Австралия) под руководством одного из ведущих мировых ученых профессора Дмитрия Гольберга впервые в мире удалось решить проблему создания двумерных материалов с контролируемыми свойствами», — отметила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова.
В работе, опубликованной в журнале Advanced Materials, ученые описывают первый в мире эксперимент по контролируемому созданию материала на основе частично окисленного нитрида бора. Материал изготавливается посредством постепенного добавления кислорода в структуру двумерного нитрида бора. До сих пор контролируемо менять ширину запрещенной зоны удавалось, лишь внедряя в нитрид бора атомы углерода, однако этот метод оказался очень сложным и дорогостоящим. Метод частично окисления оказался намного более простым и дешевым.
После синтеза ученые измеряли ширину запрещенной зоны частично окисленного нитрида бора в зависимости от содержания в решетке атомов кислорода. В ходе экспериментов удалось подтвердить на опытных образцах теоретически предсказанные свойства кристаллической решетки нитрида бора для нескольких уровней содержания кислорода.
«Главное достижение нашей работы в том, что нам удалось успешно совместить методы теоретического материаловедения с великолепной работой коллег экспериментаторов, — рассказывают соавторы работы — научные сотрудники лаборатории „Неорганические наноматериалы“ НИТУ „МИСиС“, доктор физико-математических наук Павел Сорокин и кандидат физико-математических наук Дмитрий Квашнин. — Наше тесное сотрудничество вылилось в то, что с одной стороны был успешно синтезирован новый материал на основе нитрида бора с возможностью контроля ширины запрещенной зоны, а с другой стороны особенности его свойств были подробным образом изучены теоретически, при этом экспериментальные данные были успешно подтверждены теорией».
При помощи комплексного исследования полученного материала ученым удалось понять, как и почему меняется ширина запрещенной зоны в частично окисленном нитриде бора:
«Основной вклад в уменьшение ширины запрещенной зоны вносит наличие гидроксильных групп, расположенных на краях нового материала. Наличие такого слоя приводит к формированию дополнительных электронных уровней вблизи энергии Ферми, что и приводит к меньшей ширине запрещенной зоны, наблюдаемой экспериментально», — отметил Павел Сорокин.
Ученый подчеркнул, что такой способ уменьшения ширины запрещенной зоны может привести к активному использованию данного материала в таких областях науки и техники, как фотовольтаика, оптоэлектроника, хранение энергии.
В теоретической части работы использовались ресурсы суперкомпьютерного кластера «Cherry» НИТУ «МИСиС». Практическая часть работы выполнялась в Японии и Австралии.
Работа сделана в рамках инфраструктурного проекта «Теоретическое материаловедение наноструктур», созданного НИТУ «МИСиС» в рамках Программы повышения конкурентоспособности ведущих российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров (Проект
