Финские химики-теоретики составили атлас свойств двумерных металлов. Атлас включает в себя 45 различных металлов, три типа кристаллических решеток и содержит информацию об энергии и длине межатомных связей, а также о механических свойствах таких кристаллов, пишут ученые в Physical Review B.

С тех пор, как в 2004 году был открыт графен, различные двумерные материалы, состоящие из одного или нескольких атомарных слоев, привлекают внимание ученых в качестве потенциальных элементов нанотранзисторов, сенсорных панелей или различных датчиков. Такие кристаллы, в зависимости от своего химического состава, могут иметь различные физические свойства, но практически во всех из них атомы связаны между собой ковалентными связями. Недавно в одном из экспериментов обнаружили, что в поре графена можно получить небольшие участки атомарно тонких двумерных кристаллов, полностью состоящих из атомов железа. Оказалось, что некоторые металлы, в частности золото, серебро, медь и платина, действительно могут образовывать устойчивы двумерные фазы и в виде простых веществ. Однако никаких систематических исследований по изучению их устойчивости и возможных свойств к настоящему моменту не проводилось даже с использованием теоретических методов.

Чтобы провести систематический анализ таких материалов, финские химики-теоретики Янне Невалаита (Janne Nevalaita) и Пекка Коскинен (Pekka Koskinen) из Университета Йювяскюля решили рассчитать и собрать вместе свойства как можно большего числа двумерных простых металлов. Использовав численный расчет с использованием метода функционала плотности, ученые получили данные о свойствах 45 металлов от лития до висмута с тремя различными типами кристаллических решеток: квадратной и двух решеток с гексагональной симметрией (с плотной упаковкой и с сотовой структурой).

Типы рассматриваемых кристаллических решеток. J. Nevalaita and P. Koskinen / Physical Review B, 2018

Металлы, которые изучались в работе. J. Nevalaita and P. Koskinen / Physical Review B, 2018

Чтобы доказать, что предложенная модель работает, с помощью нее также были посчитаны свойства трехмерных металлических решеток, для которых известны большое количество экспериментальных данных. Ошибка при определении энергии связи в трехмерных металлов не превосходила 0,28 элеткронвольт, что подтвердило возможность использовать предложенную модель и для расчета свойств двумерных кристаллов.

В результате были получены данные об энергии и длине связи между атомами, модуль сжатия металла, а также другие параметры, характеризующие его механические и электронные свойства.

Рассчитанная энергия межатомной связи в зависимости от числа протонов в ядре для трехмерного металла (черные символы) и двумерных металлов с плотной гексагональной решеткой (красные символы), квадратной решеткой (синие символы) и решеткой с сотовой структурой (зеленые символы). J. Nevalaita and P. Koskinen / Physical Review B, 2018. .[image]

Рассчитанная энергия межатомной связи в зависимости от экспериментально измеренных значений для трехмерного металла. Черными символами обозначены данные для трехмерного металла, красными, синими и зелеными — для двумерных металлов с плотной гексагональной решеткой, квадратной решеткой и решеткой с сотовой структурой, соответственно. J. Nevalaita and P. Koskinen / Physical Review B, 2018

Оказалось, что для подавляющего большинства исследованных металлов обе гексагональные решетки являются значительно более устойчивыми, чем квадратная. При этом большая часть свойств двумерных металлов (как химических, так и механических) наследуется от трехмерных кристаллов с аналогичным типом решетки и связана с ними линейно. Поэтому зная величины различных физических параметров для трехмерных металлов, можно качественно довольно точно оценить и свойства двумерных металлов.

Рассчитанные значения энергии и длины связи между атомами в решетке, а также модуль сжатия для двумерных металлов с плотной гексагональной решеткой. J. Nevalaita and P. Koskinen / Physical Review B, 2018

С помощью предложенного метода ученые также смогли получить данные о других упругих свойствах: модуль упругости и модуль изгиба — и карту электронной плотности в решетке.

По словам ученых, полученные данные будут в первую очередь характеризовать двумерные металлы, закрепленные на других двумерных материалах, например в порах графена. Однако именно в таком виде двумерные металлы сейчас и удается получать. Поэтому в будущем эти результаты должны стать ориентирами при планировании экспериментов по получению металлических пленок атомарной толщины. Поскольку связь в двумерных кристаллах является ненаправленной, такие материалы могут обладать интересными механическими свойствами, которые сильно отличаются от свойств ковалентных кристаллов и их можно буде использовать в качестве, например, проводящих мембран.

Сейчас двумерные металлические материалы планируют использовать в качестве элементов гетероструктур атомарной толщины, в которых можно управлять механическими и электронными свойствами. Кроме этого, в настоящее время активно развиваются и другие методы для получения ковалентных гетероструктур из двумерных полупроводниковых пленок, в частности в которых состоят из полос разного химического состава или содержат одномерную структуру внутри двумерной.

Автор: Александр Дубов