22 March 2023, 22:00 Анна Солдатенко

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.

News article publications

Read also

Новый подход помог получить сорбент на основе оксида графена для очистки воды
Обжиг оксида графена в кислородно-пропановой газовой смеси привел к образованию большого количества нанопор, за счет чего площадь поверхности материала оказалась почти в 30 раз больше изначальной
Carbon materials
Materials Science
New techniques
28 June 2023
Физики настроили прочность и теплопроводность графен-никелевого композита
Для этого оказалось достаточно всего лишь варьировать соотношение двух компонентов материала. Такое сочетание свойств позволит использовать подобные композиты в устройствах гибкой электроники и литий-ионных аккумуляторах нового поколения
Carbon materials
Composites
Materials Science
8 June 2023
Травление веселящим газом упростило получение полупроводниковых нанотрубок
Такие структуры представляют интерес для электроники, но получить их достаточно трудно. Новый подход позволил сделать это всего в одну стадию с эффективностью в 97%
Carbon materials
Materials Science
Nanoelectronics
New techniques
1 June 2023
Физики доказали и объяснили анизотропию перовскитов
Если научиться управлять этим свойством, заключающимся в отличии характеристик в разных направлениях кристалла, можно управлять и светом в составе разнообразных оптоэлектронных устройств
Crystallography
Materials Science
Optoelectronics
12 May 2023
Ученые смогли точно настроить энергетическую структуру углеродных точек
Это означает также и точную настройку их оптических свойств, что полезно в самых разных областях — от биомедицины до оптоэлектроники
Carbon materials
Nanophotonics
Nanotechnology
Optoelectronics
12 May 2023
Физики научились управлять свойствами экситонов
Эти квазичастицы способны излучать и поглощать свет определенных длин волн. Контролируя их, можно создавать нанолазеры и компоненты для оптических компьютеров
Materials Science
Optoelectronics
13 April 2023