Интересный прорыв: обнаружен прочный 3D-материал со свойствами графена
Исследователи из Ливерпульского университета обнаружили трехмерный материал, который воспроизводит электропроводящие свойства графена, преодолевая при этом хрупкость, ограничивающую практическое применение этого уникального материала. Соединение, получившее название дистаниид гафния (HfSn₂), способно имитировать быстрый двумерный поток электронов, характерный для графена, несмотря на его полностью трехмерную атомную структуру. Это открытие приведет к созданию более прочных материалов для энергоэффективных вычислительных технологий.
Команда исследователей из Ливерпульского университета заявила, что они нашли способ «упаковать» ключевое электронное поведение графена — сверхбыстрое двумерное движение электронов — в гораздо более прочный трехмерный кристалл. Речь идет о соединении HfSn₂ (дистаниде гафния): несмотря на полную трехмерную решетку, носители заряда в нем ведут себя так, как будто они движутся по двумерной плоскости. Авторы полагают, что это решает одну из главных практических проблем графена — его «атомную тонкость» — и открывает путь к более стабильным материалам для энергоэффективной электроники и спинтроники. Работа опубликована в журнале Matter.
Сам графен на два десятилетия успел стать символом «идеального проводника толщиной в один атом» — в 2010 году за эксперименты с ним была присуждена Нобелевская премия по физике. Но та же двумерность, которая придает графену необычайные электронные свойства, усложняет его эксплуатационное применение: тонкие слои сложно масштабировать без дефектов, а в устройствах они зависят от подложек и интерфейсов. Ливерпуль предлагает другой подход: не делать материал плоским, а заставить электроны двигаться «плоско» в объемном кристалле.
Ключ к эффекту лежит в структуре HfSn₂. Согласно описанию исследователей, он имеет «соты» — слои с характерной гексагональной (пчелиной) геометрией, но расположенные в трехмерной структуре особым хиральным образом — с изгибом, который в пресс-релизе сравнивают с двойной спиралью ДНК.
Такое расположение, по мнению авторов, сохраняет редкое электронное поведение, обычно присущее двумерным материалам.
Вторая важная деталь — это так называемые точки Вейля в электронной структуре. Говоря простым языком, это «специальные узлы» спектра, которые могут значительно повысить мобильность несущих, т.е. для облегчения движения электронов при меньших потерях. Следовательно, электроны в HfSn₂ демонстрируют квазипространственный транспорт, хотя химические связи образуют жесткий трехмерный каркас. Авторы формулируют это так «разделение» геометрии и электроники: структура трехмерная и стабильная, а поведение электронов как в тонком слое.
За эффектом стоит не только теория, но и «тяжелая» экспериментальная часть. Из сопроводительных материалов видно, что кристаллы HfSn₂ выращивались методом металлического флюса с использованием олова в качестве отдельного флюса и добавлением хрома. Медленное охлаждение (1°С/час) и разделение флюса при 700°С дали продолговатые кристаллы длиной порядка 4 мм. Электрический перенос был измерен на приборе Quantum Design PPMS-DynaCool, а магнитный момент и «крутящий момент» поля были измерены до 35 Тесла, также в инфраструктуре Лаборатории сильнополевых магнитов в Неймегене.
Интерес к этим результатам также подогревается энергетическим контекстом. По оценкам Международного энергетического агентства, потребление электроэнергии в центрах обработки данных в мире может примерно удвоиться и составить примерно 945 ТВт-ч к 2030 году, а темпы роста потребления в базовом сценарии 2024-2030 годов составят около 15% в год. На этом фоне любая технология, приближающаяся к недорогим вычислениям — будь то новые логические схемы или спинтроника, работающая с магнитным состоянием электронов, — становится частью великой гонки за энергоэффективность.
Практическая интрига сейчас заключается в том, можно ли превратить демонстрацию «поведения графена» в HfSn₂ в инженерный рецепт: научиться воспроизводить такие кристаллы (или тонкие слои/пленки), контролировать дефекты и внедрять материал в реальную технологическую схему. Но сам факт того, что двумерная электроника может «жить» в трёхмерной твёрдой структуре, расширяет поле поиска: возможно, гонка за посткремниевой электроникой будет опираться не на хрупкие монослои, а на объемные кристаллы с правильно скрученными «сотами» на атомном уровне.
