Новые многослойные соединения для наноэлектроники смогут работать в сильные холод и жару
Российские ученые смоделировали новые гетероструктуры на основе нитрида галлия, оксида цинка и борофена — кристалла из атомов бора, — а также предсказали их свойства. Предложенные материалы энергетически стабильны и способны эффективно проводить ток при температурах от -43 до 93℃. Подобные соединения перспективны в качестве проводящих элементов в робототехнике, электронике и системах спутниковой связи.
Гетероструктуры широко используются при создании транзисторов, фоточувствительных элементов, светодиодов, лазеров, детекторов ультрафиолетового излучения, а также телекоммуникационных систем. Эти структуры представляют собой многослойную кристаллическую конструкцию из двумерных материалов (пленок), проводящих электрический ток. При этом слои в составе материала различаются по химическому составу и, следовательно, по способности проводить электрический заряд. Так, чтобы вся конструкция проводила ток, необходимо, чтобы в ней были атомы, отдающие электроны, и атомы, их принимающие.
Ранее в качестве главного компонента гетероструктур исследователи рассматривали только графен — двумерный материал на основе атомов углерода — из-за его высокой электропроводимости. Однако позже удалось синтезировать борофен на основе бора, и оказалось, что его свойства также позволяют формировать гетероструктуры. Сам материал может быть даже прочнее графена и более эластичным.
Исследователи из Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского (Саратов) смоделировали новые конфигурации гетероструктур, состоящих из борофена, нитрида галлия и оксида цинка. Анализ полученных моделей показал, что между слоями возникает так называемая бесщелевая зонная структура, которая свободно и беспрепятственно проводит ток. Благодаря этому заряд в гетероструктуре передается от борофена к нитриду галлия или оксиду цинка.
Затем авторы проанализировали протекание тока в двух вариантах гетероструктур. В первой из них слой из атомов оксида цинка и нитрида галлия имел конфигурацию, по форме напоминающую кресло, а во второй — зигзаг. Оказалось, что в зигзагообразной конфигурации атомов сила тока в пять раз выше, чем в случае «кресла». Более того, ее значения не снижаются даже при экстремальных температурах от -43 до 93℃, если напряжение не превышает 0,8 В, что в семь раз меньше, чем напряжение в зарядном устройстве для телефона. При этом сила тока в полученных материалах на порядок выше, чем в других уже известных гетероструктурах, состоящих, например, из атомов молибдена и селена. Кроме того, расчеты показали, что образцы на основе борофена, нитрида галлия и оксида цинка более стабильны, что дает возможность потенциально использовать их в различных устройствах нано- и оптоэлектроники.
«На основе предлагаемых нами гетероструктур в перспективе могут быть разработаны высокоточные детекторы ультрафиолетового излучения, востребованные во многих прикладных сферах, например для анализа биологических и химических веществ, мониторинга окружающей среды, включая обнаружение озоновых дыр, для разработки систем безопасности на основе датчиков пламени, для астрономических исследований, обнаружения воздушных целей, а также организации закрытой связи между искусственными спутниками», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Михаил Слепченков, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры радиотехники и электродинамики Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского.
В дальнейшем авторы работы планируют исследовать, каким образом можно управлять электрофизическими характеристиками предложенных гетероструктур. Для этого материалы будут подвергаться различным видам механических деформаций и модификациям с помощью дополнительных атомов.
