Лаборатория цифрового материаловедения

Работа была опубликована в журнале Nanomaterials. Синтез двумерного алмаза является сложнейшей задачей, поскольку в отличие от графена и многих других двумерных материалов, диаман не может быть расщеплен из кристалла. Более того, термодинамический анализ показывает, что алмазная пленка из нескольких слоев без стабилизирующего слоя является нестабильной и распадается на многослойный графен, поскольку поверхностная энергия алмаза выше, чем у графита. Этот вывод подтверждается экспериментом, в которых графен подвергался высоким давлениям в алмазной камере. Было получено, что давление алмазообразования в многослойном графене было намного выше, чем в алмазе, при этом образовавшиеся алмазные плёнки были нестабильными при после снятия давления. Наиболее перспективным способом получения двумерного алмаза представляется использование графена в качестве прекурсора, на который осаждаются сторонние атомы (например, водород). В этом случае термодинамическая стабильность материала полностью меняется, ранее нестабильная алмазная пленка становится энергетически выгодной, а графеновые слои стремятся соединиться друг с другом. Несмотря на ряд обнадеживающих экспериментальных результатов, подтверждающих подобные предсказания, вопрос о синтезе диамана далек от разрешения. Действительно, зарождению диамана в графене препятствует высокая стабильность графеновой π-системы, сопротивляющейся присоединению новых атомов. В результате только два слоя графена могут быть относительно легко соединены, и только в случае использования водородной плазмы в качестве источника водорода. В случае использования H2 можно ожидать появления значительного барьера зарождения, который может быть преодолен только с помощью высокого давления и температуры. Однако действительная структура графена содержит структурные дефекты, которые могут быть использованы в качестве центров зарождения, что может позволить синтезировать диаман в менее жестких условиях. В представленной работе мы подробно исследовали такой эффект. Для этого мы изучили одни из наиболее распространенных структурных дефектов в графене и выявили их влияние на зарождение алмаза. Мы обнаружили, что тип и концентрация структурных дефектов могут в достаточной степени влиять на начальную и, что особенно важно, на последующие стадии зарождения алмаза. При этом влияние дефектов на прочность связи C-H исчезает уже на второй координационной сфере. Мы показали, что агломерация вакансий (которая может быть произведена низкоэнергетическим ионным облучением) может в достаточной степени расширить реакционную область, что исчезает барьер зарождения для первых стадий зарождения. Влияние дефектов Стоуна-Уэльса меньше, но все же способствует гидрированию и связыванию графеновых слоев. Мы показываем, что 1D дефект (дислокация) не только способствует алмазообразованию, но и может привести к появлению 2D алмаза, состоящего из химически связанных зерен различной кристаллографической ориентации. Поэтому поликристаллический графен, обычно наблюдаемый в эксперименте, может стать основой для специфических поликристаллов 2D алмаза, содержащие различные поверхности. Даже гексагональные и кубические 2D алмазы могут сосуществовать вместе в одной пленке с энергией границ зерен, сравнимой с аналогичными значениями для других двумерных углеродных структур.

Статья опубликована в J. Phys. Chem. Lett. Возможность легкого окисления sp2-гибридизированного углерода дает доступ к оксиду графена, одному из старейших и наиболее подробно изученных производных графена. Относительно недорогой и широко доступный GO является привлекательным материалом для различных применений в области сенсорики, хранения энергии, двумерной электроники и оптоэлектроники, фотокатализа и мемристоров и т.д. Оксид графена является монослойным материалом, дальнейшее развитие которого может быть посвящено изучению более толстой структуры, такой как бислойный оксид графена. Гидрирование или фторирование бислойного графена приводит к безбарьерному соединению слоев в sp3-гибридизированную структуру, называемую диаманом. Предсказанный нами эффект химически индуцированного перехода был многократно подтвержден в эксперименте. Важно отметить, что, несмотря на успешный синтез диамана с помощью гидрирования и фторирования, в большинстве работ связывание графена связано с осаждением оксидных групп на его поверхности. В отличие от гидрированного и фторированного диамана, структура окисленного диамана до сих пор детально не изучена. Существует лишь ограниченное число работ, в которых предложены относительно простые модели. Это является препятствием для дальнейшего анализа и интерпретации экспериментальных данных. Основная проблема заключается в том, что оксид графена (как и оксид диамана) можно рассматривать как двумерный твердый раствор различных функциональных групп, статистически распределенных на поверхности графена. Вероятно, это справедливо и для оксида диамана, поэтому описание его структуры требует рассмотрения его как твердого раствора различных функциональных групп, как мы предложили для оксида графена. В представленной работе мы попытались восполнить этот пробел и выяснить детали образования оксида диамана, а также его свойства. Мы изучили идею о том, что кислородсодержащие группы способны нарушить π-систему и полностью покрыть внешнюю поверхность многослойного графена, изменяя гибридизацию атомов углерода с sp2 на sp3. Сначала мы нашли энергетически выгодные структуры диаманов с полным покрытием поверхности H, -OH или пероксидными функциональными группами. Затем мы выявили термодинамический диапазон стабильности в зависимости от внешнего давления и химического окружения, определяемый выбором прекурсора. В частности, мы обнаружили, что обычно используемый источник кислорода, H2O, требует приложения давления для образования стабильного окисленного диамана, что находится в полном соответствии с экспериментальными данными. Далее мы изучили возможность регулирования электронных свойств в энергетически выгодных пленках диамана. Мы показали, что в зависимости от концентрации OH-групп на поверхности запрещённая зона оксида диамана может изменяться от 4,6 эВ до 6,5 эВ, а эффективная масса варьируется от 1,1 м0 до 0,6 м0. Для двух наиболее репрезентативных пленок, а именно H-диамана и OH-диамана, мы изучили, как их электронные состояния изменяются в зависимости от толщины пленки. Мы показали, что двухслойный диаман ведет себя как однородный полупроводник, в то время как более толстые пленки с более чем 5 слоями включают поверхностные и объемные области с различными свойствами проводимости.

Статья была опубликована в ACS Applied Materials & Interfaces. Несмотря на значительный прогресс в последние десятилетия, ультратонкие оксидные (MgO и Al2O3) спейсеры, служащие туннельными барьерами, не обеспечивали достаточного значения магнитосопротивления (MR) в вертикальном спин-клапане. В последнее время в качестве альтернативных спейсеров стали рассматриваться двумерные материалы, демонстрирующие чрезвычайно большое разнообразие электронных и структурных свойств. Графен и h-BN были рассмотрены как низкоомные барьеры для вертикального спинового клапана. Кроме них, использование дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) может значительно расширить разнообразие электронных свойств и настроить эффективность магнитных переходов. Помимо надлежащего выбора 2D спейсеров, большое значение имеет поиск идеального источника спин-поляризованных электронов. С этой целью уже несколько десятилетий рассматриваются полуметаллические материалы, включая сплавы Гейслера, такие как Co2FeGe1/2Ga1/2, Co2MnSi, CoFeMnSi, Co2FeAl1/2Si1/2 и другие. В данной работе предложен и теоретически исследован нового магнитного туннельного перехода на основе электродов из сплава Гейслера Co2FeGe1/2Ga1/2 и спейсера MoS2 как перспективного элемента для устройств спинтроники. Методом DFT исследованы электронные и магнитные свойства границы раздела MoS2/CFGG как для случая FeGeGa-, так и Co-терминирования поверхности CFGG. Продемонстрирован устойчивый ферромагнетизм по всей толщине пленки CFGG. Показано, что спиновая поляризация подавляется в нескольких внешних атомных слоях CFGG из-за межфазных взаимодействий и быстро восстанавливается в пределах четырех атомных слоев (до 5 Å). Далее, изучается спин-зависимый баллистический транспорт магнитного туннельного перехода CFGG/MoS2/CFGG в рамках неравновесного формализма функции Грина для спейсеров MoS2, варьирующихся от монослойных до четырехслойных пленок. В случае нулевого смещения значения магнитосопротивления находятся в диапазоне 10^4-10^5 %. Также получены воль-амперные характеристики, демонстрирующие сохранение больших значений MR при напряжении смещения. Наряду с последними достижениями в синтезе гетероструктуры графен/CFGG, данная работа поддерживает дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования полуметаллических магнитных переходов на основе сплава Гейслера, обладающих высокой эффективностью в спинтронике.