Український науковець – керівник Чернівецького відділення Інституту проблем матеріалознавства (ІПМ) імені І.М. Францевича НАН України доктор фізико-математичних наук, професор Захар Дмитрович Ковалюк створив новий графеноподібний напівпровідниковий матеріал із унікальними властивостями – надтонкі наноплівки шаруватого кристала моноселеніду індію (InSe), товщина якого складає від одного шару (~0,83 нм) до кількадесяти шарів. Вивчення його електричних і оптичних властивостей здійснювалося в лабораторії лауреата Нобелівської премії в галузі фізики за 2010 рік професора Манчестерського університету (Велика Британія) Андрія Гейма. За результатами проведених досліджень українські та британські вчені підготували спільну статтю «High electron mobility, quantum Hall effect and anomalous optical response in atomically thin InSe», опубліковану 21 листопада 2016 року у високорейтинговому науковому журналі «Nature Nanotechnology» (імпакт-фактор – 35,267). Загалом, на думку дослідників, практичне застосування моноселеніду індію в перспективі може спричинити революцію в наноелектроніці.
 Схематичне зображення кристалічної структури моноселеніду індію |
На відміну від графену, який складається з одноатомного шару (або ж моношару) вуглецю, моноселенід індію є бінарною сполукою атомів індію (In) та селену (Se) – завтовшки у чотири атоми, розташовані в послідовності Se-In-In-Se.
Наноплівки цього матеріалу одержано з масивних зливків шаруватих кристалів InSe, подібних за своєю структурою до графіту, з якого одержали графен. Шаруватий кристал моноселеніду індію відомий уже впродовж багатьох років, однак лише 2013 року було зроблено перші спроби виокремити з нього атомарно тонкі плівки. Виконати це завдання, а також дослідити оптичні й електричні властивості шарів завтовшки від одного до декількох нанометрів вдалося тільки в 2016 році. В ході спільної роботи українських і британських науковців шаруватий кристал InSe було відлущено до стану моношару. Цікаво, що, як і при першому одержанні графену в 2004 році, для відлущення зайвих шарів моноселеніду індію використовувалася звичайна клейка стрічка («скотч»).
Учені встановили, що надтонким наношарам цього матеріалу притаманна низка унікальних властивостей, які якісно вирізняють його серед решти графеноподібних двовимірних (2D) кристалів. Так, в одержаних зразках моноселеніду індію рухливість (тобто швидкість руху) електронів є найвищою, зокрема, порівняно з попередніми кандидатами у «постграфени» – дисульфідами та диселенідами молібдену. Цей параметр матеріалу є надзвичайно важливим з точки зору підвищення швидкодії приладів, які можуть бути створені на його основі.
Аби збагнути значення отриманих результатів, слід зрозуміти природу 2D-кристалів – матеріалів, які складаються із шарів товщиною від одного до декількох атомів і в останнє десятиріччя привертають дедалі більшу увагу науковців. Фактично, графен був першим 2D-кристалом, експериментально одержаним ще 2004 року в Манчестерському університеті британськими вченими російського походження Андрієм Геймом і Костянтином Новосьоловим. В 2010 році за це епохальне відкриття їм було присуджено Нобелівську премію в галузі фізики. Графен має товщину в один шар атомів вуглецю та характеризується унікальними властивостями, які роблять його практично ідеальним для застосування в електронних приладах. Зокрема, графен відрізняється безпрецедентно високою рухливістю електронів, добре проводить струм і тепло. Проблема ж цього матеріалу полягає у відсутності в нього так званої забороненої зони – інтервалу енергій, які заборонено мати електрону. Наявність такої зони є вкрай бажаною, адже вона дає змогу проводити або не проводити електричний струм і, як наслідок, створювати такі найважливіші елементи сучасної напівпровідникової електроніки, як діоди й транзистори. Саме тому нині тривають активні пошуки матеріалів із високою рухливістю електронів і наявністю забороненої зони. Останніми роками створення нових матеріалів з 2D-структурою і товщиною в декілька атомних шарів стало одним із найактуальніших напрямів матеріалознавства та нанотехнологій. Учені часто називають цей тренд «постграфеновою ерою». Наношари моноселеніду індію можуть реалізувати потенціал графену, уникаючи, водночас, його недоліків, адже мають заборонену зону й високу фоточутливість.
Ще одна цікава властивість моноселеніду індію полягає в тому, що, на відміну від дихалькогенідів та кремнію, цей кристал є так званим прямозонним напівпровідником. Це, у свою чергу, робить його особливо перспективним для використання в оптоелектроніці. Крім того, ширина забороненої зони InSe суттєво залежить від товщини його шарів. При зменшенні товщини наноплівок з ~25 шарів до 2 моноселенід індію залишається прямозонним, а ширина його забороненої зони зростає на рекордно велику величину в ~0,5 еВ. І тільки моношар InSe є непрямозонним. Можливість змінювати ширину забороненої зони цього матеріалу, добираючи наноплівки різної товщини цього прямозонного напівпровідника, відкриває широкі можливості для його застосування в оптоелектронних приладах, здатних функціонувати в широкому спектральному діапазоні – від ближньої інфрачервоної до видимої областей. Такого ефекту неможливо досягти в інших графеноподібних 2D-напівпровідниках – наприклад, дихалькогенідах перехідних металів, які є непрямозонними і стають прямозонними тільки за умов перебування у стані моношару. І хоча моношар цих матеріалів є прямозонним, проте ширина його забороненої зони є фіксованою та не може бути змінена так, як у моноселеніду індію.
Слід зауважити, що висока якість двовимірного електронного газу в наноплівках моноселеніду індію дала змогу повною мірою спостерігати в них важливі фізичні ефекти на зразок квантового ефекту Холла й осциляцій Шубнікова-де-Гааза, що робить цей матеріал надзвичайно цікавим з точки зору подальших фундаментальних досліджень.
Наразі науковцям відомий тільки один двовимірний напівпровідниковий кристал, який за своїми електричними властивостями міг би скласти конкуренцію InSe, – чорний фосфор. Проте моноселенід індію, маючи не гірші електричні параметри, має суттєву перевагу над чорним фосфором, а саме – високу стабільність до умов навколишнього середовища. На відміну від наношарів чорного фосфору, які під дією повітря деградують упродовж лічених секунд, наношари InSe демонструють дивовижно високу стабільність, що уможливлює їх практичне використання в реальних умовах.
Варто відзначити, що наукова група керівника Чернівецького відділення ІПМ імені І.М. Францевича НАН України доктора фізико-математичних наук, професора З.Д. Ковалюка є одним із небагатьох українських дослідницьких колективів, які систематично займаються експериментальними роботами зі створення й дослідження графеноподібних 2D-кристалів. За цим напрямом чернівецькі вчені активно співпрацюють із провідними науковими центрами Великої Британії, США, Нідерландів, Німеччини, Японії та інших країн. Результати спільних досліджень науковці регулярно публікують у високорейтингових фахових наукових виданнях і представляють на престижних міжнародних конференціях. Важливою є також співпраця професорів З. Ковалюка, К. Новосьолова та А. Гейма, спрямована на створення новітніх функціональних гібридних ван-дер-ваальсових наногетероструктур. Зокрема, ними було спільно створено і досліджено наногетероструктуру графен/багатошаровий InSe, що характеризується рекордним значенням фоточутливості (до 105 A/Вт при λ=633 нм) порівняно з усіма нині відомими графеноподібними 2D-кристалами. Результати цього дослідження опубліковано в журналі «Advanced Materials» [Adv. Mat. 27, 3760 (2015)] (імпакт-фактор – 18,960).
На думку вчених, є підстави говорити про широкі перспективи подальшого практичного застосування моноселеніду індію, оскільки його наношари при поєднанні з графеном і деякими іншими функціональними 2D-кристалами мають всі шанси скласти конкуренцію кремнію (Si) як основному матеріалу сучасної електроніки та навіть замінити його. З допомогою цих наноматеріалів створюватимуться швидші та гнучкіші електронні пристрої з надзвичайно низьким енергоспоживанням, – сподіваються науковці.
Автор статті – Захар Кудринський
Ноттінгемський університет, Велика Британія
E-mail: Zakhar.Kudrynskyi@nottingham.ac.uk