Автор AZoNano 16 февраля 2021 г.

В революционном исследовании физики из Базельского университета впервые создали графеновое соединение, содержащее атомы углерода и небольшое количество атомов азота в регулярной структуре треугольников и шестиугольников.

Эта «решетка кагоме» с сотовой структурой действует как полупроводник и может также обладать исключительными электрическими свойствами. В будущем решетку кагоме, возможно, можно будет использовать в квантовых компьютерах или электронных датчиках.

Во всем мире ученые ищут новые синтетические материалы, обладающие уникальными свойствами, такими как сверхпроводимость. Другими словами, электрический ток проходит без сопротивления.

Эти инновационные вещества являются значительным шагом в развитии чрезвычайно энергоэффективной электроники. Предварительный материал обычно представляет собой однослойную сотовую структуру из графена или атомов углерода.

Гипотетические расчеты показывают, что соединение, называемое «графен кагоме», должно иметь совершенно другие характеристики, чем графен. Графен Кагоме содержит регулярную сетку равносторонних треугольников и шестиугольников, окружающих друг друга.

Термин «кагомэ» происходит от японского и обозначает древнее японское искусство ткачества кагомэ, когда корзины плели по вышеупомянутому узору.

Решетка Кагоме с новыми свойствами

Впервые группа исследователей из Департамента физики и Швейцарского института нанонаук при Университете Базеля, работающая совместно с Университетом Берна, создала и проанализировала графен кагоме. Группа сообщила о своих выводах в журнале Angewandte Chemie .

Измерения, проведенные исследователями, дали многообещающие результаты, указывающие на исключительные магнитные или электрические свойства.

Исследователи создали графен кагоме, нанеся прекурсор на серебряную подложку методом осаждения из паровой фазы, а затем нагрели его, чтобы создать металлоорганический промежуточный продукт на поверхности металла.

Дополнительный нагрев привел к образованию графена кагоме, который состоит только из атомов азота и углерода и имеет такую ​​же правильную сетку треугольников и шестиугольников.

Сильные взаимодействия между электронами

Мы использовали сканирующий туннельный и атомно-силовой микроскопы для изучения структурных и электронных свойств решетки кагоме .

Д-р Реми Павляк, первый автор исследования, Базельский университет

С помощью микроскопов такого типа ученые могут анализировать электрические и структурные свойства материалов с помощью миниатюрного наконечника – в этом примере наконечник был удален с использованием отдельных молекул монооксида углерода.

При этом команда отметила, что электроны с определенной энергией, которая выбирается путем приложения электрического тока, «захвачены» среди треугольников, которые возникают в кристаллической решетке графена кагоме.

Такое поведение явно отличает материал от традиционного графена, в котором электроны распределены по различным энергетическим состояниям в решетке; они делокализованы.

Локализация, наблюдаемая в графене кагоме, желательна и именно то, что мы искали. Это вызывает сильные взаимодействия между электронами – и, в свою очередь, эти взаимодействия создают основу для необычных явлений, таких как проводимость без сопротивления .

Эрнст Мейер, профессор кафедры физики Швейцарского нанонаучного института Базельского университета

Профессор Мейер возглавляет исследовательскую группу, в которой выполнялись проекты.

Планируются дальнейшие расследования

Исследования также продемонстрировали, что графен кагоме обладает полупроводниковыми характеристиками, то есть его проводящие свойства можно включать и выключать, как у транзистора. Таким образом, графен кагоме значительно отличается от графена, проводимость которого не так просто включать и выключать

.

В следующих анализах исследователи удаляют решетку кагоме из металлической подложки и дополнительно исследуют ее электронные свойства.

Плоская зонная структура, идентифицированная в экспериментах, подтверждает теоретические расчеты, которые предсказывают, что в решетках кагоме могут происходить возбуждающие электронные и магнитные явления. В будущем графен кагоме может выступать в качестве ключевого строительного блока в устойчивых и эффективных электронных компонентах .

Эрнст Мейер, профессор кафедры физики Швейцарского нанонаучного института Базельского университета

Справка журнала

Pawlak, R., и др. . (2021) Поверхностный синтез легированного азотом графена кагоме. Angewandte Chemie International Edition . doi.org/10.1002/anie.202016469 .

Источник: https://www.unibas.ch/en/