Сверхтонкие алмазы могут стать основой дисплеев нового поколения

Потребность в новых материалах для электронных устройств до сих пор остается высокой. Так, например, пришедшие на замену жидкокристаллическим OLED- и LED-дисплеи уже оказываются недостаточно хороши. В качестве альтернативы предлагается использовать полевые эмиссионные дисплеи, или дисплеи с автоэлектронной эмиссией (Field Emission Displays, FED), — тонкие, яркие, контрастные, долговечные, с широким углом обзора (порядка 170 градусов) и отличающиеся более быстрым откликом.

Большое внимание специалистов привлекает сверхтонкая алмазная пленка, или диаман, — структура на основе многослойного графена. В исходном графене, обладающем полупроводниковыми свойствами, все атомы углерода имеют sp2-гибридизацию. Если же этот материал модифицировать, например, в ходе реакции гидрирования или фторирования, то произойдет фазовый переход. Атомы приобретут sp3-гибридизацию, характерную для алмаза и обеспечивающую его изолирующие свойства, однако полуметаллические свойства сохранятся. Получившийся в результате диаман характеризуется жесткостью, износостойкостью, высокой теплопроводностью и химической стабильностью. Поверхностная функционализация многослойного графена с различным взаимным расположением слоев — одна из возможностей для придания диаману необходимых электронных свойств.

«Сверхтонкие алмазные пленки являются уникальным объектом для исследований, который впервые был предложен еще в 2009 году. Их термодинамические, структурные, механические, электронные характеристики подробно были изучены в моей кандидатской диссертации. Однако с каждым годом интерес к этим квази-двумерным материалам увеличивается. В своей работе мы подробно изучили электронные свойства гидрированных и фторированных диаманов различной толщины и с различной структурой, и показали перспективность их использования в полевых эмиссионных дисплеях», — рассказывает автор исследования, старший преподаватель Проектного центра по энергопереходу Сколтеха, доктор физико-математических наук Александр Квашнин. 

В данной работе авторы из Сколтеха, ИХТТМ СО РАН, Норвегии, Бельгии, США и Саудовской Аравии рассчитали работу выхода пленок с помощью первопринципных методов. Работа выхода характеризует то, насколько тяжело материал испускает электроны (чем она меньше — тем легче), от чего зависят и характеристики FED-дисплея.

В ходе исследования авторы выяснили, как изменяется энергетическая структура в зависимости от типа функционализации диамана. Так, оказалось, что поведение электронных состояний гидрированных и фторированных пленок сильно отличается. Увеличение количества слоев в гидрогенизированных диаманах вызывает уменьшение ширины запрещенной зоны по сравнению с ее начальным значением, работа выхода также уменьшается, то есть материалу становится энергетически выгоднее испускать электроны. Во фторированных диаманах, напротив, ширина запрещенной зоны сначала увеличивается, а затем, по достижении трех слоев, уменьшается — аналогичная зависимость и для работы выхода. Таким образом, полученные результаты позволяют определить тип диамана, наиболее подходящий для использования в полевых эмиссионных дисплеях.

«Помимо электронных свойств нами были определены поверхностные дипольные моменты посредством создания полуколичественного подхода на основе шкалы электроотрицательности, разработанной мной и профессором Огановым в Сколтехе. Данный подход позволяет избежать сложных и долгих первопринципных расчетов и спрогнозировать реакционную способность поверхности новых двумерных материалов», — рассказывает один из авторов исследования, бывший научный сотрудник Сколтеха Кристиан Тантардини.

Чем меньше значение поверхностного дипольного момента, тем меньше разделение зарядов на поверхности, что делает ее более инертной по отношению к химическим процессам. Расчеты продемонстрировали, что ниже этот параметр у гидрированного диамана (порядка 0,2, тогда как у фторированного — 2,5), а значит, насыщение зависимости работы выхода произойдет быстрее — тем меньше разделение зарядов и тем лучше для использования в FED-дисплеев. Таким образом, именно гидрированные пленки отлично подходят для такой задачи.

В дальнейшем авторы планируют использовать разработанный метод для поиска других двумерных материалов для полевых эмиссионных дисплеев.