Однако, несмотря на их преимущества, 2D-материалы в настоящее время сложно и дорого производить. Это означает, что ученым, пытающимся их создать, необходимо делать осторожный выбор в отношении того, как они вкладывают свое время, энергию и средства в развитие.
Новое исследование Daniel Wines, Ph.D. кандидат физиков, и Атака дает этим ученым информацию, необходимую для проведения высокоэффективных исследований в этой области.
Их теоретическая работа предоставляет надежную информацию о том, какие новые материалы могут иметь желаемые свойства для ряда приложений и могут существовать в стабильной форме в природе. В недавней статье, опубликованной в ACS Applied Materials and Interfaces, они использовали передовые методы компьютерного моделирования для прогнозирования свойств 2D-материалов, которые еще не были созданы в реальной жизни.
«Обычно мы стараемся опережать экспериментаторов на пять или около того лет», – говорит Вайнс. Таким образом, они могут избежать попадания в дорогостоящие тупики. "Это время, усилия и деньги, чтобы они могли сосредоточиться на других вещах."
Идеальное сочетание
В новой статье основное внимание уделяется стабильности и свойствам 2D-материалов, называемых нитридами III группы.
Это смеси азота и элемента III группы периодической таблицы Менделеева, в которую входят алюминий, галлий, индий и бор.
Ученые уже создали некоторые из этих 2D-материалов в небольших количествах. Однако вместо того, чтобы рассматривать смеси одного из элементов группы III с азотом, Вайнс и Атака смоделировали сплавы – смеси, включающие азот и два различных элемента III группы.
Например, они предсказали свойства материалов, сделанных в основном из алюминия, но с добавлением некоторого количества галлия, или в основном галлия, но с добавлением некоторого количества индия.
Эти промежуточные материалы могут иметь промежуточные свойства, которые могут быть полезны в определенных приложениях. «Выполняя это легирование, мы можем сказать, что у меня есть оранжевый свет, но у меня есть материалы, которые могут поглощать красный и желтый свет», – говорит Атака. "Итак, как я могу смешать это, чтобы он мог поглощать оранжевый свет??"Настройка способности этих материалов поглощать свет может повысить эффективность систем солнечной энергии, например.
Сплавы будущего
Атака и Вайнс также изучили электрические и термоэлектрические свойства материалов.
Материал обладает термоэлектрической способностью, если он может генерировать электричество, когда одна сторона холодная, а другая горячая. Основные нитриды группы III обладают термоэлектрическими свойствами, «но при определенных концентрациях термоэлектрические свойства сплавов лучше, чем у нитридов основной группы III», – говорит Атака.
Винс добавляет: «Это основная мотивация проведения легирования – возможность настройки свойств."
Они также показали, что не все сплавы будут стабильными в реальной жизни.
Например, смеси алюминия и бора при любых концентрациях не были стабильными. Однако пять различных соотношений галлий-алюминиевых смесей были стабильными.
Как только производство основных нитридов группы III станет более надежным и расширенным, Вин и Атака ожидают, что ученые будут работать над разработкой материалов для конкретных применений, используя свои результаты в качестве руководства.
Вернуться к основам…с суперкомпьютерами
Wines и Ataca смоделировали свойства материалов с помощью суперкомпьютеров. Вместо того, чтобы использовать экспериментальные данные в качестве исходных данных для своих моделей, «мы используем основы квантовой механики для создания этих свойств. Так что хорошо то, что у нас нет никаких экспериментальных предубеждений », – говорит Атака. "Мы работаем над вещами, ранее не имевшими экспериментальных доказательств.
Так что это надежный подход."
Для получения наиболее точных результатов требуются огромные вычислительные мощности и требуется много времени. Запуск их моделей с высочайшим уровнем точности может занять несколько дней.
«Это как рассказывать историю», – говорит Вайнс. «Мы проходим самый базовый уровень, чтобы просмотреть материалы», что занимает около часа. "А затем мы переходим к высочайшим уровням точности, используя самые мощные компьютеры, чтобы найти максимально точные параметры."
«Я думаю, что прекрасная часть этих исследований состоит в том, что мы начали с основ и буквально поднялись до самого точного уровня в нашей области», – добавляет Атака. "Но мы всегда можем попросить большего."
Новый рубеж
Они продолжали продвигаться вперед на неизведанную научную территорию. В другой статье, опубликованной в течение недели после первой в ACS Applied Materials and Interfaces, Теодосия Гугоузи, профессор физики; Джарон Кропп, Ph.D. ’20, физика; и Ataca продемонстрировали способ интеграции 2D-материалов в реальные устройства.
2D-материалы часто необходимо прикрепить к электронной схеме в устройстве. Для установления этой связи необходим промежуточный слой – и команда нашла тот, который работает. «У нас есть молекула, которая может это делать, которая может соединяться с материалом, чтобы использовать его для внешних схем», – говорит Атака.
Этот результат имеет большое значение для реализации 2D-материалов. «Эта работа сочетает фундаментальные экспериментальные исследования процессов, происходящих на поверхности двумерных атомных кристаллов, с подробной вычислительной оценкой системы», – говорит Гуго. "Это руководство для сообщества устройств, чтобы они могли успешно интегрировать новые материалы в традиционные архитектуры устройств."
Сотрудничество в разных дисциплинах
Теоретический анализ этой работы проводился в лаборатории Атаки, а эксперименты проводились в лаборатории Гугузи. Кропп работал в обеих группах.
«Этот проект демонстрирует синергию, необходимую для развития и продвижения науки и технологий», – говорит Гугуси. «Это также отличный пример возможностей, которые есть у наших аспирантов для работы над проблемами, представляющими большой технологический интерес, и для развития широкой базы знаний и уникального набора технических навыков."
Кропп, который является первым автором второй статьи, очень рад, что получил этот исследовательский опыт.
«Двумерные полупроводники интересны, потому что у них есть потенциал для применения в нетрадиционных электронных устройствах, таких как носимая или гибкая электроника, поскольку они такие тонкие», – говорит он. «Мне повезло, что у меня были два отличных консультанта, потому что это позволило мне безупречно совместить экспериментальную и теоретическую работу. Я надеюсь, что результаты этой работы могут помочь другим исследователям разрабатывать новые устройства на основе 2D материалов."