Ученые обнаружили объемный материал, обладающий свойствами монослойного
Большинство материалов по-разному ведут себя в объемном (3D) и монослойном (2D)виде. Эта разница связана со слабыми связями, соединяющими множество слоев насыпного материала, что в результате приводит к электронному и колебательному взаимодействию, которое влияет на свойства материалов. В рамках исследованияученые обнаружили новый материал – рений дисульфид (ReS2), который, будучи объемным, ведет себя как монослойный. Так как изготавливать большие листы однослойного материала зачастую очень трудно, объемный материал позволит использовать те свойства, которые обычно присущи только однослойному. Это делает его идеальным для создания гибких солнечных батарей и супер-смазочных материалов.
Группа ученых из Китая, США, Бельгии и Тайвани опубликовала свое исследование в журнале Nature Communications.
«Открытый нами ReS2 станет отличной платформой для изучения 2D явлений. Что касается практического применения, тот факт, что и объемный и многослойный ReS2 обладают прямой запрещенной зоной (в то время как в других TMD она присутствует только в монослойном виде), может позволить создать более светоизлучающие и светопоглощающие устройства», - говорит соавтор исследования Джуньцяо Ву (Junqiao Wu) – профессор материаловед из Калифорнийского университета в Беркли (США). Ву также связан с Китайской академией наук в Пекине и с Национальной лабораторией Лоренс Беркли в США.
ReS2 – это новый представитель класса материалов, называемых дихалькогенидами переходных металлов (TMD). Как можно предположить из названия, их химическая формула МХ2, где М – переходный металл, а Х – халькоген. Недавно открытые однослойные TMD, такие как MoS2 и WSe2, обладают привлекательными качествами, такими как: пластичность, стабильность и низкое рабочее напряжение в различных конфигурациях устройств. Одним из самых важных свойств монослойных TMD заключается в том, что они обладают прямой запрещенной зоной, позволяющей им эффективно поглощать и излучать свет, что в свою очередь делает их перспективными материалами для создания будущего поколения гибких опто- и фотоэлектронных устройств.
Однако эти свойства проявляются только тогда TMD, когда он монослоен. В объемной форме у материала появляется непрямая запрещенная зона, которая уменьшает его оптические и электронные свойства.
По словам Ву, ReS2 отличается от ранее открытых TMD тем, что он обладает прямой запрещенной зоной и в объеме и будучи монослойным. В результате, объемный ReS2 обладает свойствами присущими только монослойным TMD. В качестве примера можно назвать фотолюминесценцию. В обычных TMD, таких как MoS2 и WSe2, интенсивность фотолюминесценции усиливается примерно в три раза по сравнению с объемной формой, из-за перехода от прямой к непрямой запрещенной зоне. Интенсивность фотолюминесценции объемного ReS2 немного выше, чем у монослойного, так как монослои в объемной форме в значительной степени разделены.
Исследовав ReS2 методами трансмиссионной электронной микроскопии, электронной дифракции, а так же проведя молекулярное моделирование, ученые обнаружили, что новый материал обладает очень слабой связью между слоями. Расчеты показали, что энергия связи ReS2 составляет лишь 8% от таковой у MoS2.
Согласно проведенному анализу, слабую связь можно объяснить искаженной октаэдрической кристаллической структурой, она, по мнению авторов, является энергетически выгодной. Это искажение заставляет атомы рения выстраиваться в зигзагообразные цепи, которые предотвращают плотное прилегание слоев, наблюдаемое в других TMD. Как результат, этот трехмерный материал обладает теми же свойствами, которые есть у других TMD только в двумерном виде.
В будущем ученые планируют более детально исследовать необычные свойства ReS2, экспериментируя с легированием, созданием сплавов и высоким давлением.
«В данный момент мы разрабатываем новые материалы, которые могут представлять интерес в этой области, а также попытками воссоздать свойства ReS2, создавая те же дефекты в других материалах», - говорит соавтор исследования доктор Сефаатин Тонгей (Sefaattin Tongay) из Калифорнийского университета в Беркли и Академии наук Китая.
По материалам Phys. Org.
Егор Яковлев nauka21vek.ru