С помощью эксперимента по растяжению слоистого кристалла смешанного селенида и теллурида галлия группе японских материаловедов впервые удалось померить силу взаимодействия между отдельными слоями. Полученные значения ученые приписывают силам Ван-дер-Ваальса, действующим между двумя поверхностями. Результаты исследования опубликованы в Journal of Applied Physics.

Силы Ван-дер-Ваальса — межмолекулярные и межатомные силы, которые имеют электростатическую природу и возникают вследствие неравномерного распределения зарядов в незаряженных молекулах. Эти силы важны не только в случае отдельных молекул и атомов, но возникают и при взаимодействии молекул, находящихся на поверхностей любых двух объектов на достаточно близком расстоянии друг от друга. Особенно важно их учитывать при оценке взаимного влияния коллоидных частиц с большой удельной площадью поверхности.

Кристаллическая структура слоистого селенида галлия. Materialscientist / English Wikipedia

Отдельным интересным случаем является возможность подобного взаимодействия не между разными частицами, а внутри одного кристалла. Силы Ван-дер-Ваальса имеют нехимическую природу, и их энергия значительно меньше энергии химической связи. Поэтому свой вклад они вносят в тех случаях, когда химическая связь не образуется. Например, подобная ситуация возможна в кристаллах со слоистой структурой, где внутри слоев атомы связаны химическими связями, а друг к другу слои притягиваются за счет сил Ван-дер-Ваальса. Однако в таких структурах сила взаимодействия между слоями значительно больше традиционной силы Ван-дер-Ваальса, поэтому природа этого взаимодействия до сих пор вызывает споры, и многие ученые приписывают главную роль в этом взаимодействии эффекту Казимира. Экспериментально измерить силу связи между слоями в таких кристаллах и точно оценить вклад какого-то из этих эффектов до настоящего момента не удавалось.

В своей новой работе химики из Японии впервые измерили силу притяжения между двумя слоями в полупроводниковом слоистом кристалле со структурой искаженного вюрцита. Для это они исследовали образцы кристалла селенида галлия, легированного теллуром (GaSe_1-xTe_x) трех различных составов. Образцы кристаллов в эксперименте прикреплялись к поверхности столика сверхточного устройства по измерению сил и растягивались со скоростью 50 микрон в секунду. Механические изменения, связанные с расслоением, оценивались с помощью оптической микроскопии.

Схема экспериментальной установки по измерению силы притяжения между отдельными слоями кристалла. T. Tanabe et al./ Journal of Applied Physics, 2017

Сила притяжения между слоями в кристаллах селенида галлия с разным сожержанием теллура. T. Tanabe et al./ Journal of Applied Physics, 2017

Оказалось, что измеренная сила сильно зависит от содержания теллура теллура в кристалле. Так, для чистого селенида галлия сила составила 0,023 меганьютонов на квадратный метр, а при увеличении доли теллура в составе возрастала до 0,16 меганьютонов на квадратный метр для GaSe_0,89Te_0,11 — состава с максимальным возможным содержанием теллура без нарушения однофазности.

По словам ученых, основной вклад в измеренную силу вносит сила Ван-дер-Ваальса, а отличия связаны с различной поляризацией атомов разных элементов. Однако, поскольку точные константы для Вандерваальсового взаимодействия внутри такого кристалла неизвестны, то возможны только сравнительные оценки. По теоретическим оценкам, изменение поляризации должно было привести к увеличению силы на 40 процентов, в то время как в эксперименте сила возросла примерно в 7 раз. Авторы работы связывают такое несоответствие с дополнительным вкладом ковалентных и ионных связей, но для того, чтобы однозначного отнести полученные данные именно к Вандерваальсовым силам, необходимо провести дополнительные измерения, в частности зависимость силы от расстояния.

Тем не менее, сами измеренные величины могут стать крайне полезными для определения свойств слоистых кристаллов и предсказания возможных составов в качестве наиболее эффективных источников терагерцового излучения или элементов спинтронных устройств.

В прошлом году ученым из Швейцарии впервые удалось измерить силу Ван-дер-Ваальса между атомами инертного газа, однако в случае инертных газов на эксперимент дополнительно не влияют другие типы взаимодействий, поэтому можно проще отнести полученные данные к нужному типу взаимодействий.

Автор: Александр Дубов