Ученые с факультета молекулярной и химической физики МФТИ впервые описали поведение электронов в ранее неизученном аналоге графена: в двумерных кристаллах ниобата теллура — и выяснили, как влияет двумерность на проводящие свойства. Полученные данные помогут в будущем создать плоские и гибкие электронные устройства.

Структура кристаллов ниобата теллура с атомами кремния © J. Hu et al/ Nature Physics

В последние десятилетия физики активно исследуют так называемые двумерные материалы, самым известным среди которых является графен, за исследование которого получили Нобелевскую премию Андрей Гейм и Константин Новоселов. Свойства таких материалов, которые представляют собой «листы» толщиной в считанные атомы, радикально отличаются от их «объемных» аналогов. Например, графен прозрачен, проводит ток лучше меди, имеет хорошую теплопроводность. Ученые рассчитывают, что другие варианты двумерных материалов могут обладать еще более экзотическими свойствами.

Вид сверху на один слой ниобата теллура

Группа ученых из России и США, в состав которой вошли Павел Сорокин и Любовь Антипина из МФТИ, исследовали свойства кристаллов ниобата теллура с атомами кремния — Nb₃SiTe₆. По своей структуре они напоминают сэндвичи толщиной в три атома (около 4 ангстрем): слой теллура, слой ниобия со «вкрапленными» атомами кремния, а затем снова слой теллура. Эти вещества относятся к классу дихалькогенидов, которые многие ученые рассматривают как перспективные варианты двумерных полупроводников.

Снимок образца пленки ниобата теллура с атомами кремния. © J. Hu et al/ Nature Physics

В лаборатории Университета Тулейна (Новый Орлеан) ученые получили кристаллы Nb₃SiTe₆, затем «отщепили» от них двумерные слои — образцы, которые исследовали с помощью трансмиссионной электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и других методов. Целью исследователей было проверить, как в двумерном веществе меняется электрон-фононное взаимодействие.

Фононами называют квазичастицы, кванты колебаний кристаллической решетки — физики ввели понятие фононов, поскольку это помогло упростить описание процессов в кристаллах, а учет электрон-фононного взаимодействия фундаментально важен при описании различных проводящих свойств в веществе.

«Мы разработали теорию, которая предсказывала, что в двумерном материале подавляется электрон-фононное взаимодействие за счет размерных эффектов, то есть, грубо говоря, материал меньше препятствует движению электронов», — говорит соавтор исследования Павел Сорокин, доктор физико-математических наук, доцент кафедры физики и химии наноструктур ФМХФ.

Американские коллеги в результате экспериментов подтвердили это предсказание.

«Они провели измерения, где обнаружили этот эффект. Наши расчеты позволили отбросить другие варианты объяснений, мы смогли доказать, что электрон-фононное взаимодействие меняется именно за счет двумерности пленки», — добавляет Сорокин.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics (DOI:10.1038/NPHYS3321).