Уникальные свойства: российские учёные создали материал для оптики нового поколения

Российские учёные разработали кристаллические плёнки из сульфида индия и галлия, обладающие выдающимися оптическими и электронными свойствами. Такие тончайшие плёнки могут применяться в сложном медицинском оборудовании, интегральных схемах, фотонных компьютерах и аппаратуре для проекции трёхмерных голограмм. По словам авторов работы, слои нового материала прочно удерживаются вместе химическими ковалентными связями, что облегчит промышленное использование изобретения.

Источник: Freepik

Учёные Московского физико-технического института (МФТИ), Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН и Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН нашли новый материал для получения кристаллических плёнок, применяемых в оптике нового поколения. Об этом RT сообщили в Минобрнауки РФ. Результаты исследования опубликованы в журнале npj 2d Materials and Applications.

В последние годы учёные во всём мире занимаются разработкой двумерных материалов — так называют тонкие плёнки, состоящие из одного слоя кристаллической решётки атомов.

Наиболее известный материал этого класса — графен, в котором атомы углерода выстроены в шестиугольную решётку толщиной один атом. Такие материалы обладают уникальными свойствами и необходимы для создания сложной электроники, квантовой криптографии, современной оптики.

Как правило, отдельные слои такого материала удерживаются вместе за счёт ван-дер-ваальсовых связей. Связь Ван-дер-Ваальса имеет не химическую, а электростатическую природу и возникает между молекулами и атомами. Это слабая связь, которая заметно уступает по силе химическим связям. По словам авторов работы, такие плёнки сложно масштабировать и применять на практике именно из-за непрочности связей, соединяющих отдельные слои материала.

Поэтому учёные сконцентрировались на том, чтобы создать такие плёнки, слои которых будут удерживаться вместе сильными химическими связями — ковалентными.

Ковалентная связь возникает, когда ядра атомов сближаются и у них возникает общая электронная пара. Ковалентные связи, в частности, формируют структуру некоторых кристаллов. Исследователям удалось найти такой кристалл, одноатомные плёнки которого продолжают удерживаться вместе ковалентными связями даже после расслаивания.

Им оказался сульфид индия и галлия (InGaS3). Выяснилось, что после разделения кристалла на слои отдельные плёнки продолжают удерживаться вместе за счёт ковалентных связей, но при этом обладают свойствами двумерных слоистых материалов.

Авторы работы изучили физико-химические свойства нового материала, в частности, его оптические свойства. Удалось установить, что такой слоистый кристалл обладает высоким коэффициентом преломления (n > 2,5). Для сравнения: у стекла этот показатель составляет порядка 1,52. Вещества, у которых коэффициент преломления превышает 2, встречаются в природе очень редко.

Например, к ним относится алмаз, у которого этот коэффициент составляет 2,4. Также учёные установили, что новый материал не поглощает свет в видимом и инфракрасном диапазонах, то есть, проходя через плёнки из сульфида индия и галлия, свет не будет терять интенсивность.

«Сначала мы при помощи компьютерного моделирования предсказали возможность существования и получения двумерного слоя из ковалентного кристалла InGaS3 путём разрыва химических связей вдоль определённого направления. Затем, проведя огромную серию экспериментов, методом микромеханического отщепления нам удалось получить такой слой и изучить его оптические и электронные свойства. Они оказались выдающимися, в том числе широкая запрещённая зона (участок фотонного кристалла, где меняется характер распространения электромагнитной волны. — RT) и показатель преломления. Благодаря им материал может стать основной платформой для разработки оптических устройств следующего поколения. Например, с его помощью можно создать субдифракционные волноводы, использующиеся в интегральных схемах в задачах машинного обучения», — пояснил RT научный сотрудник МФТИ Георгий Ермолаев.

По словам учёных, материал может применяться в оптике нового поколения для производства сложного медицинского оборудования, интегральных схем, фотонных вычислительных устройств, а также приборов для проекции объёмных голограмм.