Впервые в мире экспериментально получен представитель нового семейства двумерных веществ. Он уже продемонстрировал несколько необычных свойств, которые могут не только расширить поле для экспериментов с графеном, но и задать новое направление в микроэлектронике. Статья о достижении ученых из НИТУ «МИСиС», Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, Института биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН и их зарубежных коллег из японского института NIMS опубликована в журнале NanoScale.

Международная группа физиков предсказала и экспериментально подтвердила существование нового семейства неорганических соединений. Как рассказал руководитель теоретической части работы ведущий научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Павел Сорокин, речь идет о первом в мире двумерном материале с квадратной кристаллической решеткой; химически, это оксид меди.

Создание новых двумерных материалов, то есть состоящих из слоя толщиной в один атом, — одна из самых перспективных областей современного материаловедения. С момента получения в 2004 году первого двумерного материала — графена — ученые по всему миру исследуют его особенности, пытаясь соединить его с другими материалами для получения новых свойств.

Синтез нового семейства веществ исследователи провели, изучая различные свойства графена. Поэтому островки двумерного оксида меди расположены на графеновой основе. По словам Сорокина, синтез на подложке из графена — пока единственная реальная возможность получать эти двумерные материалы. Однако с учетом развития технологий данное ограничение вполне преодолимо, подчеркнул ученый.

В отличие от графена, который образован шестиугольными «сотами», двумерный оксид меди имеет квадратную кристаллическую решетку.

«До сих пор ученым удавалось синтезировать только материалы с гексагональной решеткой, например различные производные графена или нитрид бора, — поясняет Сорокин. — Плоская квадратная решетка металла неустойчива, однако соединение меди с кислородом стабилизировало ее».

Использованный способ открывает широкие возможности для синтеза нового семейства материалов. Фактически, ученым удалось добиться самосборки двумерного оксида меди на графеновой подложке. Чтобы создать новое вещество, экспериментаторы из института NIMS (Япония) осадили на частично окисленный графен атомы меди из газовой фазы. Затем нагрев системы привел к тому, что атомы кислорода и меди перегруппировались в новую структуру.

Все особенности нового материала еще предстоит изучить, однако кое-что о свойствах двумерного оксида меди можно сказать уже сейчас. Одним из необычных свойств нового материала, предсказанных российскими физиками Павлом Сорокиным и Дмитрием Квашниным, оказался антиферромагнетизм (низкая намагниченность), который обычный оксид меди не проявляет ни при каких условиях.

Антиферромагнетики относятся к очень перспективным материалам с точки зрения микроэлектроники. Чтобы записать один бит информации в антиферромагнетик, достаточно всего 12 атомов его поверхности, в то время как существующие технологии используют для записи одного бита сотни тысяч атомов.

Есть и еще одно последствие нового эксперимента. «Наше открытие показало возможность нового применения графена как основы для сборки различных веществ, — говорит Сорокин, — причем не только самостоятельных отдельных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур. В представленном эксперименте на графене образовалась новая монослойная структура, обладающая набором только ей присущих свойств, которые нам еще предстоит подробно изучить».