Химики впервые синтезировали идеально плоский однослойный станен (аналог графена, состоящий из атомов олова) большой площади — до 5 тысяч квадратных нанометров. Предыдущие попытки приводили к получению неоднородных и сильно искривленных пленок с бездефектными доменами площадью не более 100 квадратных нанометров. Полученный материал может использоваться в качестве двумерного топологического изолятора, свойства которого сохраняются даже при температурах выше комнатной, пишут ученые в 2D Materials.

Двумерные кристаллы, такие как графен или нитрид бора, обычно образованы ковалентными связями и включают в себя атомы неметаллов. Однако известно, что атомы металлов тоже могут образовывать небольшие двумерные островки, как, например, железо в порах графена. Поэтому недавно ученые провели теоретический анализ всех возможных элементарных металлических двумерных кристаллов и составили атлас их свойств, в котором приводятся данные о длине и энергии связи и механических свойствах таких материалов. Один из двумерных металлов, который привлекал ученых в первую очередь, — станен, аналог графена, в котором по узлам гексагональной решетки расположены атомы олова. Интерес к станену вызван тем, что по оценкам ученых, такой материал должен обладать свойствами двумерного топологического изолятора, что весьма полезно для низкоразмерной электроники и вычислительных устройств.

Олово, как и некоторые другие металлы, уже удавалось получить в виде двумерного кристалла на поверхности теллурида висмута Bi2Te3 или сурьмы, однако во всех предыдущих попытках это были очень неоднородные и сильно искривленные пленки, часто состоящие из нескольких атомарных слоев. Ученые из Японии, Германии, Испании и Франции под руководством Дзюндзи Юхары (Junji Yuhara) из Нагойского университета впервые смогли синтезировать однородный плоский слой станена достаточно большой площади. Для получения однородного материала авторы предложили наносить атомы олова с использованием вакуумного эпитаксиального осаждения. Атомарно тонкая пленка олова наносилась на синхротроне с использованием сверхвысокого вакуума (до 10–10 миллибар) на подложку из серебра, параметр кристаллической решетки которого чуть-чуть больше, чем у олова, что не дает оловянным пленкам изгибаться и формировать неоднородные структуры с большим количеством дефектов.

Изображение поверхности станена, полученное с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Справа приведен вертикальный срез рельефа поверхности вдоль отрезка EF. J. Yuhara et al./ 2D Materials, 2018

В результате предложенного подхода ученым удалось получить идеально плоские однослойные домены станена площадью до 5 тысяч квадратных нанометров. Структуру полученных кристаллов авторы работы изучили с помощью сканирующей туннельной микроскопии, а его электронные свойства были исследованы с помощью фотоэмиссионной спектроскопии.

Кроме того, чтобы лучше понять, природу свойств образовавшегося материала,ученые рассчитали его структуру теоретически с использованием метода функционала плотности. Расчеты показали, одной из причин формирования устойчивых двумерных кристаллов стало образование между трехмерной кристаллической решеткой серебра и слоем олова промежуточного слоя, состоящего из сплава Ag2Sn.

Структуры серебряной подложки, покрытой слоем сплава Ag2Sn, (слева) и трехмерного кристалла, но которую нанесен слой станена с промежуточным слоем сплава Ag2Sn (справа). Снизу показаны полученные с помощью моделирования изображения сканирующей туннельной микроскопии. J. Yuhara et al./ 2D Materials, 2018

Авторы работы обнаружили, что за счет сильного спин-орбитального взаимодействия и влияния на электронную структуру атомов подложки, в статене образуются плоские параболические электронные зоны. Это подтверждает возможность использовать его в качестве двумерного топологического изолятора, для которого проводящие свойства характерны только вблизи поверхности, тогда как вдали от краев материал является диэлектриком. Ученые отмечают, что свойства топологического изолятора, по теоретическим оценкам, должны проявляться и при температурах выше комнатной.

Для исследования свойств двумерных топологических изоляторов часто используются модели, в которых необходимые нелокализованные состояния возникают, например, за счет взаимодействия фонов. Так, на модели топологического изолятора, состоящего из системы гироскопов, удалось показать, что такие свойства могут наблюдаться и в неупорядоченных системах. Другой моделью двумерного топологического изолятора на основе фононов может служить метаматериал, собранный из колеблющихся кремниевых пластинок.

Автор: Александр Дубов