Найден прочный 3D-материал со свойствами графена

Учёные Ливерпульского университета обнаружили трёхмерный материал, который воспроизводит электропроводящие свойства графена, при этом преодолевая хрупкость, ограничивавшую практическое применение этого уникального материала. Соединение под названием дистаннид гафния (HfSn?) способно имитировать быстрый двумерный поток электронов, характерный для графена, несмотря на полностью трёхмерную атомную структуру. Это открытие приведет к созданию более прочных материалов для энергоэффективных компьютерных технологий.

Группа исследователей Ливерпульского университета заявила, что нашла способ «упаковать» ключевое электронное поведение графена — сверхбыстрое двумерное движение электронов — внутрь куда более прочного трёхмерного кристалла. Речь о соединении HfSn? (дистаннид гафния): несмотря на полноценную 3D-решётку, носители заряда в нём ведут себя так, будто бегут по двумерной плоскости. Авторы считают, что это снимает одну из главных практических проблем графена — его «атомную тонкость» — и открывает путь к более устойчивым материалам для энергоэффективной электроники и спинтроники. Работа опубликована в журнале Matter.

Сам графен за два десятилетия успел стать символом «идеального проводника в один атом толщиной» — в 2010 году за эксперименты с ним присудили Нобелевскую премию по физике. Но та же двумерность, которая дарит графену выдающиеся электронные свойства, осложняет его рабочее применение: тонкие плёнки трудно масштабировать без дефектов, а в устройствах они зависят от подложек и интерфейсов. В Ливерпуле предлагают другой подход: не делать материал плоским, а заставить электроны двигаться «как в плоскости» внутри объёмного кристалла.

Ключ к эффекту — в том, как устроен HfSn?. По описанию исследователей, в нём есть «соты» — слои с характерной гексагональной (медовой) геометрией, но уложенные в трёхмерную структуру особым хиральным способом — с закруткой, которую в пресс-релизе сравнивают с двойной спиралью ДНК.

Такая укладка, по словам авторов, сохраняет редкое электронное поведение, обычно присущее именно 2D-материалам.

Вторая важная деталь — так называемые точки Вейля в электронной структуре. В популярном изложении это «особые узлы» в спектре, которые могут резко повышать подвижность носителей — то есть облегчать движение электронов при меньших потерях. Как следствие, в HfSn? электроны демонстрируют квазидвумерный транспорт, хотя химические связи формируют жёсткий 3D-каркас. Авторы формулируют это как «развязку» геометрии и электроники: структура — объёмная и устойчивая, а поведение электронов — будто в тончайшем слое.

За эффектом стоит не только теория, но и «тяжёлая» экспериментальная часть. Из сопроводительных материалов следует, что кристаллы HfSn? выращивали методом металлического флюса, используя олово как самофлюс и добавляя хром. При более медленном охлаждении (1°C/час) и отделении флюса при 700°C удавалось получать вытянутые кристаллы порядка 4 мм длиной. Электротранспорт измеряли на установке Quantum Design PPMS-DynaCool, а магнитный момент и «крутящий момент» в поле — вплоть до 35 Тл, в том числе на инфраструктуре High Field Magnet Laboratory в Неймегене.

Интерес к таким результатам подогревает и энергетический контекст. По оценкам Международного энергетического агентства, потребление электроэнергии дата-центрами в мире к 2030 году может примерно удвоиться — до порядка 945 ТВт·ч, а темпы роста потребления в 2024–2030 годах в базовом сценарии составляют около 15% в год. На этом фоне любая технология, которая приближает низкозатратные вычисления — будь то новые схемы логики или спинтроника, работающая с магнитным состоянием электронов, — становится частью большой гонки за энергоэффективностью.

Практическая интрига теперь в том, удастся ли превратить демонстрацию «графенового поведения» в HfSn? в инженерный рецепт: научиться воспроизводимо получать такие кристаллы (или тонкие слои/плёнки), управлять дефектами и встроить материал в реальную технологическую цепочку. Но уже сам факт, что двумерная электроника может «жить» внутри трёхмерной прочности, расширяет поле поиска: возможно, гонка за посткремниевой электроникой будет опираться не на хрупкие монослои, а на объёмные кристаллы с правильно закрученными «сотами» на атомном уровне.

Источник: hightech.plus

Комментарии: