Российские ученые совместно с коллегами из Италии, США и Бельгии разработали способ теоретического исследования электронных свойств двумерных материалов под давлением при помощи квантовой химии. Исследование поможет в создании сенсоров давления на основе силицена и других 2D-материалов. Результаты исследования опубликованы в журнале Американского химического общества ACS Nano.
Силицен — двумерная аллотропная модификация кремния, которая считается кремниевым аналогом графена. В отличие от углерода, который является стабильным как в объемном, так и двумерном состоянии, силицен — метастабильный и легко взаимодействует с окружающей средой. В обычном состоянии кристалл кремния — полупроводник с алмазной структурой, однако при уменьшении толщины кристалла его свойства меняются. Для двумерных материалов пока что не существовало возможности исследовать изменение их электронных свойств с изменением давления.
«В кристаллическом состоянии кремний — полупроводник, а в двумерном он становится металлом. Теоретически свойства монослоя или нескольких слоев силицена хорошо изучены. Однако сам по себе силицен не является плоским, из-за характера взаимодействия соседних атомов кремния он гофрированный. С увеличением давления силицен должен стать плоским, и его свойства также должны измениться. Но изучить эту ситуацию экспериментально пока не представляется возможным», — рассказал научный сотрудник Сколтеха Кристиан Тантардини.
В большинстве случаев при использовании экспериментального оборудования для создания давления по оси, перпендикулярной к плоскости самого материала, в то же время происходит и сжатие в плоскости. Это нарушает чистоту эксперимента, и ученые не получают точных измерений. В данной ситуации только моделирование сможет дать ответ на этот вопрос.
«Разработка нового теоретического подхода была единственным выходом из ситуации. Мы теоретически моделируем давление в одном направлении и в процессе сжатия изучаем, как меняется электронная структура атомов кремния, их гибридизация при различных давлениях, как перестраивается атомная структура и как слои становятся плоскими, и одновременно можем понять, почему это происходит», — комментирует старший научный сотрудник Сколтеха Александр Квашнин.
Возможность точно предсказывать поведение двумерного материала под давлением позволит в перспективе создать сенсоры на его основе. Расположив его внутри сенсора, по отклику материала на сжатие можно будет судить о давлении. Такие датчики могут применяться в буровых установках, где важно контролировать давление, чтобы увеличивать силу бурения без порчи оборудования.
«Силицен в данном исследовании выступил модельным объектом при апробировании метода, но метод может подойти и для моделирования других двумерных материалов, в том числе и тех, которые более стабильны и в настоящее время уже активно производятся и используются», — поясняет профессор Левенского католического университета Ксавье Гонз.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
