Wetenschappers van Skoltech en MIPT hebben het bestaan ​​van exotische hexagonale dunne NaCl-films op een diamantoppervlak voorspeld en vervolgens experimenteel bevestigd. Deze films kunnen nuttig zijn als poortdiëlektrica voor veldeffecttransistoren in elektrische voertuigen en telecommunicatieapparatuur. Het onderzoek, ondersteund door de Russische Wetenschapsstichting, werd gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters .

als grafeen, de beroemde tweedimensionale koolstof, werd in 2004 experimenteel voorbereid en gekarakteriseerd door toekomstige Nobelprijswinnaars Andre Geim en Konstantin Novoselov, wetenschappers gingen op zoek naar andere 2D-materialen met interessante eigenschappen. Onder deze zijn siliceen, staneen en borofeen - monolagen van silicium, blik, en boor, respectievelijk, evenals 2D-lagen van MoS ₂ , CuO, en andere verbindingen.

Skoltech Ph.D. student Kseniya Tikhomirova, Dr. Alexander Kvashnin van Skoltech en professor Artem R. Oganov van Skoltech en MIPT bouwden samen met hun collega's voort op eerdere studies van dunne NaCl-films om het bestaan ​​​​van een ongewone nanometer dikke hexagonale NaCl-film op het (110) oppervlak van diamant te veronderstellen.

"Aanvankelijk besloten we om alleen een computationeel onderzoek uit te voeren naar de vorming van nieuwe 2D-structuren op verschillende substraten, gedreven door de hypothese dat als een substraat sterk interageert met de dunne NaCl-film, men kan grote veranderingen verwachten in de structuur van de dunne film. Inderdaad, we verkregen zeer interessante resultaten en voorspelden de vorming van een hexagonale NaCl-film op het diamantsubstraat, en besloot experimenten uit te voeren. Met dank aan onze collega's die de experimenten uitvoerden, we hebben dit hexagonale NaCl gesynthetiseerd, wat onze theorie bewijst, " zegt Kseniya Tikhomirova, de eerste auteur van het artikel.

Onderzoekers gebruikten voor het eerst USPEX, het evolutionaire algoritme ontwikkeld door Oganov en zijn studenten, om structuren met de laagste energie te voorspellen op basis van alleen de betrokken chemische elementen. Na het voorspellen van de hexagonale NaCl-film, ze bevestigden het bestaan ​​ervan door experimentele synthese en karakterisering uit te voeren door middel van XRD (röntgendiffractie) en SAED (selected area elektronendiffractie) metingen. De gemiddelde dikte van de NaCl-film was ongeveer 6 nanometer - een dikkere film zou van hexagonale naar kubische structuur veranderen, typisch voor het tafelzout dat we kennen.

Wetenschappers geloven dat door de sterke binding aan het diamantsubstraat en een brede bandgap, hexagonaal NaCl kan goed werken als poortdiëlektricum in diamanten FET's - veldeffecttransistoren die potentieel hebben voor gebruik in elektrische voertuigen, radars, en telecommunicatieapparatuur. Nu gebruiken deze FET's meestal hexagonaal boornitride, die een vergelijkbare bandgap heeft, maar een veel zwakkere binding aan het substraat heeft.

"Onze resultaten laten zien dat het veld van 2D-materialen nog erg jong is, en wetenschappers hebben slechts een klein deel van mogelijke materialen met intrigerende eigenschappen ontdekt. We hebben een lang bestaand verhaal dat begon in 2014 toen we beschreven hoe kubische dunne NaCl-films kunnen worden opgesplitst in hexagonale grafeenachtige lagen. Dit toont aan dat deze eenvoudige en veel voorkomende verbinding, schijnbaar goed bestudeerd, verbergt veel interessante verschijnselen, vooral op nanoschaal. Dit werk is onze eerste stap op weg naar het zoeken naar nieuwe materialen zoals NaCl maar met een betere stabiliteit (lagere oplosbaarheid, hogere thermische stabiliteit, enzovoort) die vervolgens effectief kunnen worden gebruikt in veel toepassingen in de elektronica, " merkt Alexander Kvashnin op, senior onderzoeker bij Skoltech.

Dit werk brengt ons dichter bij het begrip hoe we het uiterlijk kunnen beheersen en, als gevolg, de eigenschappen van tweedimensionale materialen met behulp van een substraat. Het onderzoek opent ook de deur naar meer 2D-materialen met mogelijke toepassingen in de elektronica en daarbuiten.