Ученые из Центра энергетических технологий Сколтеха разработали метод моделирования изменения физических двумерных материалов под давлением. Исследование поможет в создании сенсоров давления на основе силицена или других двумерных материалов.

Результаты исследования опубликованы в журнале Американского химического общества ACS Nano. Силицен – двумерная аллотропная модификация кремния, которая считается кремниевым аналогом графена. В обычном состоянии кристалл кремния — это полупроводник с алмазной структурой, но при уменьшении толщины кристалла до одного или нескольких слоев его свойства сильно изменяются. Однако для двумерных материалов пока не существовало возможности исследовать изменение их электронных свойств с изменением давления.

Ученые из России, Италии, США и Бельгии разработали способ теоретического исследования электронных свойств двумерных материалов под давлением при помощи квантовой химии на примере силицена. В отличие от углерода, который можно назвать стабильным как в объемном, так и двумерном состоянии, силицен – метастабильный и легко взаимодействует с окружающей средой.

«В кристаллическом состоянии кремний – полупроводник, а в двумерном он становится металлом. Теоретически свойства монослоя или нескольких слоев силицена хорошо изучены. Однако сам по себе силицен не плоский — из-за характера взаимодействия соседних атомов кремния он гофрированный. С увеличением давления силицен должен стать плоским, и его свойства также должны претерпеть изменения. Но изучить эту ситуацию экспериментально пока не представляется возможным», – рассказывает научный сотрудник Сколтеха Кристиан Тантардини.

В большинстве случаев при использовании экспериментального оборудования для создания давления на материал по оси, перпендикулярной к плоскости самого материала, в то же время будет происходить и сжатие в плоскости, поэтому этот эксперимент не будет чистым и экспериментаторы не получат точных измерений. В данной ситуации только моделирование сможет дать ответ на этот вопрос.

«В нашем случае разработка нового теоретического подхода была единственным выходом из ситуации, – комментирует старший научный сотрудник Сколтеха Александр Квашнин. – Мы теоретически моделируем давление в одном направлении, и в процессе сжатия изучаем, как меняется электронная структура атомов кремния, их гибридизация при различных давлениях, как перестраивается атомная структура и как слои становятся плоскими и одновременно можем понять почему это происходит».

Возможность точно предсказывать поведение двумерных материалов (в данном случае силицена) под давлением позволит в перспективе создать сенсоры давления на его основе. Поскольку, расположив его внутри сенсора, по отклику материала на сжатие можно будет судить о давлении. Такие сенсоры могут найти применение в буровых установках, где важно контролировать давление, чтобы увеличивать силу бурения без порчи оборудования.

«Силицен в этом исследовании выступил модельным объектом при апробировании метода, но метод может подойти и для моделирования других двумерных материалов, в том числе и тех, которые более стабильны и сегодня уже активно производятся и используются», – рассказывает приглашенный профессор Сколтеха и профессор Лёвенского католического университета (UC Louvain) Ксавье Гонз.