0
2551
Газета Печатная версия

11.02.2020 17:42:00

Чудеса в двумерном решете

Кремниевый аналог графена преподносит квантовые сюрпризы

Тэги: кремний, графен, физика, химия


кремний, графен, физика, химия Стило («щуп») микроскопа с атомом углерода на конце для выявления атомов бора и азота в графене (желтого и синего соответственно). Иллюстрации Physorg

Графит мягок и непрочен, что позволяет делать из него сердечник карандашей. При письме (нажиме) грифель слущивается слой за слоем, подобно ороговевшим чешуйкам кожи. На эти слущивающиеся слои как-то обратили Андре Гейм и Константин Новоселов, два физика с русскими корнями, работавшие в университете Манчестера (Англия). В 2010 году оба получили за открытие и изучение двумерных графитовых слоев (толщиной в одну молекулу) Нобелевскую премию по физике.

Исследователей поразила сотовая структура слоя, которая похожа на молекулу бензола. Но тот относится к ненасыщенным соединениям, поскольку в его молекуле имеются три двойных связи. Графен же – так назвали новый материал – все три связи «раскрыл», что позволило отдельным сотам соединиться в единое и плоское целое – толщиной всего в один атом углерода. 2D-материал обладает при этом сверхпроводимостью, показывая это удивительное свойство при обычных условиях.

Уже давно высказывалась мысль о том, что и кремний может давать сотовые структуры, за что и получил название «силицен». Однако в отличие от графена силицен не имеет идеальной гладкой поверхности. Виной тому – поверхностные выпячивания отдельных атомов.

В свое время англичанин Роберт Гук поразил членов Королевского общества – британской Академии наук – соединением двух линз Левенгука, разнесенных друг от друга с помощью картонного тубуса-трубки. Та линза, которая приближалась к исследуемому объекту, естественным образом получила название «объектив», та же, что к глазу-оку – окуляр. Прибор оказался революционным для своего времени, но обладал несовершенством в виде оптических нарушений (аберраций). Они были устранены лишь во второй половине ХIХ века.

Так родилась оптическая микроскопия. Но она имеет низкое разрешение: увеличение не более 100 раз. Обусловлено это слишком большой длиной волны видимого света, измеряемой сотнями нанометров. Совсем иное дело – волна электронная, длина которой в тысячи раз меньше. Это достижение также было отмечено Нобелевской премией. Но и это не удовлетворило пытливые умы, и следующую награду получили изобретатели сканирующего туннельного микроскопа: никаких линз – ни оптических, ни магнитных – не имеющего.

2-13-4350.jpg
Молекула оксида углерода (СО) способствует
выявлению неровностей поверхности
силицена. Иллюстрации Physorg
Вместо этого сканирующий туннельный микроскоп имеет «щуп», заточенность острия которого доводится до одного атома на конце. К этому концу подается ток, устремляющийся по «туннелю» к поверхности образца и меняющийся в зависимости от расстояния до него, что и дало название микроскопу – «туннельный». При добавлении на острие молекулы оксида углерода (СО) ученые обнаружили графеновый «допинг» в виде атомов бора и азота, заместивших углеродные атомы.

Следующей модификацией подхода стал микроскоп атомной силы (AFM – Atomic Force Microscope). С его помощью можно определять атомы и их пространственное расположение. Для повышения разрешающей способности прибора исследования ведут при низкой температуре, чтобы уменьшить естественные температурные колебания атомов в образце.

Микроскоп атомной силы физики Базельского университета использовали для визуализации тех самых силиценовых «буклей», расположив на конце острия молекулу СО. Их статья в журнале «Труды АН США» (PNAS) называется «Количественное определение атомного буклинга силицена с помощью микроскопа атомной силы». О достоинствах такого подхода говорит тот факт, что ученым удалось определить шероховатость силиценовой поверхности, над которой отдельные атомы кремния выступали на доли ангстрема (0,1 нанометра)! Достоверность полученных экспериментальных данных была затем подтверждена с помощью компьютерного моделирования, проведенного в стенах мадридского Института материаловедения.

Важность проведенных опытов подчеркивается тем, что полупроводниковые свойства материалов определяются их структурой и добавками. Обнаруженные «букли» силицена обещают выявление новых неожиданных феноменов на квантовом уровне, например спинового эффекта. Немаловажно и то, что открывается следующая страница исследований 2D-материалов, которые обещают новый этап наноминиатюризации электронных схем и чипов. С точки зрения квантовой физики важно и выявление связи между структурой материалов и их электронными свойствами.



Оставлять комментарии могут только авторизованные пользователи.

Вам необходимо Войти или Зарегистрироваться

комментарии(0)


Вы можете оставить комментарии.


Комментарии отключены - материал старше 3 дней

Читайте также


В физике начался «золотой век»

В физике начался «золотой век»

Александр Спирин

Золото раскрыло еще далеко не все свои свойства

0
4607
Спины атомов заставили работать с пользой и высоким КПД

Спины атомов заставили работать с пользой и высоким КПД

Иван Сапрыкин

Квантовый холод

0
2843
Как закрутить протеины в нужную сторону

Как закрутить протеины в нужную сторону

Игорь Лалаянц

Эффект из квантовой физики оказался полезен при создании новых лекарств

0
1255
Новости науки. Как эстетика становится физикой

Новости науки. Как эстетика становится физикой

Андрей Ваганов

0
1986

Другие новости

Загрузка...
24smi.org