Открыт трехмерный функциональный аналог 2D-материала

Большинство материалов ведут себя по-разному в объемном и монослойном (двумерном) виде. Разница обусловлена тем, что слабые силы, удерживающие слои вместе, приводят к электронному и вибрационному связыванию, изменяющему физические свойства материала.

В статье, помещенной в свежем номере Nature Communications, авторы — ученые из Китая, США, Бельгии и Тайваня сообщили об открытии нового материала, дисульфида рения, особенность которого состоит в том, что в объемном виде он ведет себя подобно изолированному монослою ReS₂. Получение больших листов двумерных материалов до сих пор остается сложной и не всегда осуществимой технологической задачей. Поэтому открытие подобного вещества обеспечивает простой доступ к экзотическим свойствам, обычно характерным только для монослоев.

«Объемный дисульфид рения может стать идеальной платформой для изучения 2D-явлений, — считает соавтор статьи, профессор материаловедения Калифорнийского Университета в Беркли, Джуньцяо Ву (Junqiao Wu). — С более практичной стороны, тот факт, что объемный и многослойный ReS₂ имеют запрещенную зону с прямыми переходами (в других TMD она присутствует только в монослоях), может позволить получить более эффективные светоизлучающие и светопоглощающие устройства».

ReS₂ — это новейший представитель класса материалов, называемых дихалькогенидами переходных металлов (TMD). Недавно открытые монослойные TMD, такие как MoS₂ и WSe₂, демонстрируют привлекательные качества, включая гибкость, стабильность и низкое рабочее напряжение в различных аппаратных конфигурациях. Но важнейшим их качеством является прямозонность, позволяющая эффективно излучать и поглощать свет, что делает их перспективными для применения в будущем поколении гибких опто- и фотоэлектронных устройств.

Исследовав образцы дисульфида рения методами трансмиссионной электронной микроскопии, электронной дифракции, а также проведя численное моделирование, ученые установили, что этот материал отличается от других TMD очень слабой связью между слоями. Так, расчеты показывают, что энергия связи у ReS₂ составляет менее 8% от таковой у MoS₂. Причина этого, по мнению авторов работы, кроется в искаженной октаэдрической кристаллической структуре ReS₂. Атомы рения выстраиваются в наиболее энергетически выгодную для них зигзагообразную цепочку, что препятствует плотному прилеганию слоев, наблюдаемому в прочих TMD. Как результат, этот трехмерный материал обладает теми же свойствами, что другие TMD — только в двумерном виде.

Это наглядно продемонстрировано в опытах по люминесценции. В других дихалькогенидах интенсивность фотолюминесценции монослоя на три порядка выше, чем объемного образца (с менее эффективной непрямой запрещенной зоной). Напротив, в случае дисульфида рения излучение у прямопереходной объемной формы даже несколько больше, чем у монослоя.

В дальнейшем, исследователи намерены продолжить изучение необычных свойств дисульфида рения, и методов их модификации посредством легирования, высоких давления и образования сплавов.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365