Главная » Статьи » Физики построили температурные карты двумерных кристаллов

Физики построили температурные карты двумерных кристаллов

X. Hu et al./ Physical Review Letters, 2018

Американские физики разработали метод картирования температуры и теплового коэффициента расширения в двумерных кристаллах с пространственным разрешением до двух нанометров. Метод, основанный на использовании электронной микроскопии и анализе спектров энергетических потерь электронов, в частности, показал, что тепловой коэффициент расширения для двумерных и трехмерных кристаллов одного состава может отличаться почти в 50 раз, пишут ученые в Physical Review Letters.

Двумерные кристаллы сейчас рассматриваются как одни из наиболее перспективных материалов для создания электронных устройств нового поколения. Благодаря большому разнообразию электронных свойств и возможности объединять эти материалы между собой уже сейчас из них можно получать функциональные электронные устройства нанометрового размера. Одним из ограничивающих факторов при работе таких устройств могут оказаться их тепловые свойства, которые довольно сильно зависят от количества слоев в кристалле и могут привести к значительным энергетическим потерям или нарушению структуры из-за несоответствия при тепловом расширении.

Чтобы температуру двумерных материалов можно было контролировать, для начала нужны методы ее точного измерения и картирования с достаточным пространственным разрешением. На данный момент подходов для определения тепловых свойств двумерных кристаллов существует несколько, однако они либо недостаточно точны с точки зрения разрешения (это касается  в первую очередь оптических методов, например, на основе рамановской спектроскопии), либо могут сами влиять на измеренные значения (в случае контактных методов).

Физики под руководством Роберта Клая (Robert F. Klie) из Университета Иллинойса разработали новый метод построения температурных карт и измерения коэффициента теплового расширения двумерных материалов различных классов на основе данных электронной микроскопии. Подход основан на использовании просвечивающей электронной микроскопии и данных спектроскопии характеристических потерь энергии электронами. С помощью этих данных можно получить значение сдвига плазмонного пика, положение которого зависит от температуры. В двумерных кристаллах энергия плазмона определяется квантовыми поверхностными свойствами, поэтому эти данные можно использовать для определения температуры и коэффициента теплового расширения.

В своей работе авторы исследования провели измерения температуры и коэффициента теплового расширения для графена и четырех дихалькогенидов переходных металлов: сульфидов и селенидов вольфрама и молибдена — при температурах от 100 до 600 градусов Цельсия. Физические параметры были измерены для нескольких систем: однослойного, двухслойного, трехслойного двумерного кристалла, а также для объемного кристалла того же состава, состоящего из большого количества слоев.

В результате измерений, во-первых, удалось подтвердить и количественно оценить зависимость температуры и коэффициента теплового расширения от числа слоев в кристалле. Так, измеренный коэффициент теплового расширения для оказался значительно меньше для объемных кристаллов (стоит отметить, что имеется в виду абсолютное значение: для халькогенидов этот параметр положительный, а для графена — наоборот, отрицательный). В некоторых случаях значения для однослойного и многослойного кристалла отличались почти в 50 раз. При этом различий в данных для всех структур с количеством слоев больше трех ученые не обнаружили.

Кроме того, полученные значения коэффициентов теплового расширения ученые сравнили с экспериментальными и теоретическими данными, известными для объемных кристаллов и некоторых однослойных двумерных кристаллов. Новые экспериментальные результаты не всегда количественно согласуются с теоретическими данными, но в целом соответствуют значениям, полученным экспериментально. Особенно точное соответствие наблюдается для графита, а также селенидов вольфрама и молибдена.

Пространственное разрешение метода составило около 2 нанометров. Авторы работы отмечают, что картирование температуры с такой точностью поможет значительно точнее предсказывать тепловые свойства двумерных материалов и поможет при разработке электронным устройств на основе многослойных структур из таких кристаллов.

Отметим, что однослойные двумерные кристаллы могут быть образованы не только ковалентными связями, но и образовываться из металлических решеток. Примером такого кристала может служить, например, станен — оловянный аналог графена, который сейчас удается получать в виде ровных слоев достаточно большой площади. Для описания химических и физических свойств других подобных структур, большинство из которых экспериментально пока не получены, ученые даже провели численный расчет и составили атлас их свойств.

Александр Дубов