Ученые впервые синтезировали гематен — двумерный кристалл на основе наиболее распространенной модификации оксида железа, гематита. В отличие от объемного гематита, гематен обладает ферромагнитным порядком, а также может использоваться для повышения эффективности фотокатализа, пишут ученые в Nature Nanotechnology.

Всего лишь около 15 лет назад был получен первый двумерный материал — графен. Оказалось, что за счет необычной структуры физические свойства двумерных кристаллов могут довольно сильно отличаться от свойств трехмерных соединений того же состава: например, из-за ограничения подвижности носителей зарядов по двум направлениям могут довольно сильно и необычным образом меняться и электронные, и оптические свойства этих материалов. Поэтому с тех пор количество новых типов двумерных кристаллов постоянно растет: аналогичные графену по структуре соединения получали как из простых веществ (например, германия, кремния, фосфора и олова и некоторых металлов), так и из бинарных соединений, например, из нитрида бора или многих халькогенидов переходных металлов. Совсем недавно группа химиков под руководством Пуликела Аджаяна (Pulickel M. Ajayan) из Университета Райса впервые получила двумерный кристалл галлия — галленен.

В своей новой работе эта же группа ученых с присоединившимися к ним коллегами из Бразилии и Германии впервые синтезировала двумерный оксид железа и исследовала его свойства. Двумерный кристалл ученые получили с помощью эксфолиации гематита, самой распространенной модификации оксида железа(III), Fe₂O₃. Эксфолиация — один из наиболее популярных на сегодняшний день методов получения двумерных кристаллов, простейшая модификация которого — с использованием клейкой ленты — применялась и для первого получения графена. В данном случае эксфолиация проводилась в жидкой фазе из суспензии гематита в диметилформамиде. С помощью ультразвуковой обработки от двух кристаллических поверхностей гематита «отшелушивались» двумерные кристаллы различных типов.

Метод получения двух модификаций гематена с помощью жидкостной эксфолиации с двух различных кристаллических плоскостей гематита. A. P. Balan et al./ Nature Nanotechnology, 2018

Каждый из образовавшихся типов гематена соответствовал одному из кристаллографических направлений в гематите. Образование двумерной структуры ученые подтвердили с помощью просвечивающей электронной микроскопии, показав, что жидкостная эксфолиация действительно позволяет получить пленки толщиной 0,398 или 0,320 ангстрема в зависимости от типа структуры. Эти пленки предпочтительно собираются в однослойные или двухслойные образования и состоят только из атомов железа и кислорода, не включая в себя никаких примесей. При этом, в отличие от графена и других двумерных кристаллов, гематен не стремится к образованию многослойных структур, связанных силами Ван-дер-Ваальса.

Спектроскопические свойства вместе с численным моделированием методом теории функционала плотности подтвердили элементный состав образовавшихся кристаллов, степень окисления железа и их электронную структуру. Интересно, что гематен, в отличие от гематита, обладает выраженными ферромагнитными свойствами. Если для гематита характерен выраженный антиферромагнитный обмен, то в гематене за счет антисимметричного взаимодействия появляется ферромагнетизм.

Микрофотографии полученных двумерных кристаллов, на которых видны области однослойного и двухслойного материалов (сверху) и его кристаллической структуры (снизу). Масштабные линейки соответствуют 500 нанометрам (сверху слева), 50 нанометрам (сверху справа) и 2 нанометрам (снизу). A. P. Balan et al./ Nature Nanotechnology, 2018

Оказалось, что гематен можно также использовать для повышения фотокаталитической активности нанотрубок оксида титана TiO2. Ширина запрещенной зоны у гематена немного меньше, чем у оксида титана, кроме того он может легко закрепляться на нанотрубках, что позволяет заметно повысить фоточувствительность материала. Эффективность такого подхода ученые проверили на реакции разложения воды на водород и кислород под действием видимого света.

Авторы работы отмечают, что простота получения гематена делают его довольно перспективным материалом для использования в качестве двумерного магнита, например в спинтронике, или для разработки новых эффективных фотокатализаторов.

Несмотря на то, что наиболее популярным способом получения двумерных кристаллов все еще остается эксфолиация, сейчас активно развиваются и другие методы. Например, для получения слоистых гетероструктур, состоящих из двумерных кристаллов разного состава, японские ученые создали специальный прибор, который собирает такие материалы автоматически.

Автор: Александр Дубов