С помощью метода микромеханического расщепления, с применением которого был в свое время открыт графен, из синтетического материала Ta-Pd(Pt)-Se впервые в мире был получен новый одномерный полупроводниковый материал. Его использование в микроэлектронике позволит уменьшить электронные схемы до наноразмеров и увеличить скорость работы приборов. Теоретическую часть исследования провели ученые лаборатории «Неорганические наноматериалы» инфраструктуры «Теоретическое материаловедение наноструктур» НИТУ «МИСиС» под руководством доктора физико-математических наук Павла Сорокина. Экспериментальная часть работы проведена американскими коллегами в Тулейнском университете под руководством профессора Джана Вея (Jiang Wei). Результаты уникального исследования опубликованы в журнале Nano Letters.

Задача получения одномерного полупроводника стояла перед учеными уже достаточно давно. Создание такого материала, основная область применения которого – опто- и микроэлектроника, позволило бы повысить быстродействие и снизить потребляемую мощность приборов. Уменьшение размеров материалов часто позволяет добиться экстраординарных электронных, оптических, механических, химических и биологических свойств за счет размерных и поверхностных эффектов.

Интенсивные исследования в этом направлении начались в 1991 году, когда была идентифицирована гексагональная структура углеродных нанотрубок, что позволило говорить о новом классе одномерных наноматериалов, имеющих перспективу использования в наноэлектронике. После получения в 2004 году графена, были сделаны попытки его разрезать сделав из него одномерный полупроводниковый наноматериал, однако чувствительность проводящий свойств полученных лент к ширине и структуре краёв пока не позволяют говорить о их перспективности в электронике. Безрезультатными были и попытки получения лент из двумерных полупроводников – дихалькогенидов переходных металлов, поскольку они состоят из химических связанных трех атомных слоев, качественно разрезать которые на ленты оказалось очень сложно.

Так как традиционным методом – разрезанием двумерных материалов – получить одномерные полупроводники не удавалось, научная коллаборация между группами исследователей НИТУ «МИСиС» и Тулейнского университета подошла к проблеме с принципиально иной стороны. Было решено искать кристалл, состоящий из слабо связанных одномерных наноструктур (как в случае графита, состоящего из листов графена), чтобы применить к нему тот же самый метод микромеханического расщепления (метод «клейкой ленты»).

Таким материалом стал Ta2Pt3Se8 (тантал-платина-селен) и Ta2Pd3Se8 (тантал-палладий-селен), синтезированный более 30 лет назад, но сих пор не получивший широкого применения. Он обладает очень интересной структурой: ее можно представить как слабо связанные между собой ленты нанометровой ширины.

По словам руководителя научной группы Павла Сорокина,

«уникальность нашей работы в ее новизне – мы показали, что для получения нужного результата надо взглянуть на задачу под другим углом: не пытаться разрезать уже имеющийся материал, а оглянуться, и найти другой, имеющий подходящую атомную структуру. Для решения нашей задачи идеально подошли наноструктуры состава Tа-Pd-Se и Tа-Pt-Se, в которых, я полагаю, мы найдем в нем еще немало интересных свойств».

нанопровод Ta-Pd-Se диаметром 2.1 нм – экспериментальное изображение и теоретическая модель. В рамке выделена основа структуры – отдельная нанолента Ta2Pd3Se8

Эксперименты с кристаллами Ta-Pd(Pt)-Se были проделаны американской группой ученых. В НИТУ «МИСис» параллельно велась теоретическая работа. Результаты экспериментальных исследований, в том числе данные просвечивающей электронной микроскопии, отлично совпали с теоретическими результатами. Расщепление Ta-Pd(Pt)-Se позволило получить нанопровода, состоящие из нескольких нанолент, имеющих прямую запрещенную зону порядка 1 электронвольта (эВ). Исследователи создали на основе полученных наноструктур транзистор, в котором экспериментально измеренная подвижность носителей заряда составила 80 см2В 1с 1.

Как отметила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова,

«руководитель проекта «Теоретическое материаловедение наноструктур» в лаборатории «Неорганические наноматериалы», доктор физико-математических наук Павел Сорокин – победитель открытого международного конкурса на получение грантов НИТУ «МИСиС» и один из самых перспективных молодых ученых нашего университета. За свои научные достижения он был удостоен премии Scopus Award Russia 2015 в категории «Молодой ученый».