Содержание |
2024: Графен и алмаз объединят для создания сверхпрочных материалов будущего
Улучшить качество наноэлектронных и оптических устройств поможет ультрапрочный, стабильный и гибкий композит из графена и алмаза, который можно получить с помощью облучения материала ионами ксенона. Об этом МИСИС сообщил 30 августа 2024 года. Исследование инициировали ученые НИТУ МИСИС совместно с ИФП СО РАН и ОИЯИ. Углеродные пленки содержащие алмазы размером от 5 до 20 нм сохраняют свою структуру и свойства, демонстрируя высокую механическую прочность и температурную стабильность. Материал перспективен для космической авиации, автомобильной и биомедицинской отраслей.
 | Алмазы играют важную роль в науке и технике благодаря своим исключительным свойствам, включая механическую твёрдость, теплопроводность и биосовместимость. При этом образование монокристаллических двумерных наноалмазов в структуре графена при облучении представляет собой весьма любопытный вопрос. В нашей работе показано, что облучение графена тяжелыми ионами с энергией МэВ дает позволяет сформировать двумерные алмазные пленки. Этот подход открывает новые перспективы для получения ультратонких алмазных пленок с особыми электронными свойствами, — рассказал д.ф.-м.н. Павел Сорокин, заведующий лабораторией цифрового материаловедения НИТУ МИСИС. |  |
Двумерные наноалмазы могут найти широкое применение в отраслях, где требуются прочные, проводящие и одновременно функциональные покрытия, в частности для покрытия деталей микросхем, имплантов, создания чувствительных сенсоров и других технологических решений. Ученые Университета МИСИС, Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова и Объединенного института ядерных исследований впервые изучили возможность формирования наноалмазов в многослойном графене, облучив его быстрыми тяжелыми ионами ксенона. В результате эксперимента в нескольких слоях графена были обнаружены встроенные наноструктуры с регулярной алмазной структурой, размеры которых варьировались от 5 до 20 нм. Выяснилось, что для образования алмазов требуется не менее шести слоев графена.
| | Полученный материал с различными типами углеродных связей может сочетать в себе плюсы каждого отдельного элемента структуры и демонстрировать высокие прочность, жесткость и гибкость. Ультратонкие двумерные алмазные пленки, способные сохранить целостность алмазоподобных структур, имеют потенциал во множестве областей, начиная от электроники и оптики, заканчивая биомедициной, — добавил Лев Томилин, лаборант-исследователь лаборатории цифрового материаловедения НИТУ МИСИС. | |
Данная разработка позволяет лучше понять влияние структуры поверхности на свойства этих материалов. Внедрение сверхпрочных компонентов, обеспечивающих прочную ковалентную связь, позволяет значительно улучшить общие механические свойства.Как DevOps-сервис помогает «разгрузить» высоконагруженные системы BPMSoft 
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-12-00399).
2023: В России открылась первая графеновая корпорация
26 мая 2023 г. в Новокузнецке состоялось официальное открытие корпорации «Графеновая Долина». Это первая в России компания, начавшая комплексную работу по построению индустрии вокруг такого перспективного материала, как графен. Об этом TAdviser 29 мая 2023 года сообщили представители «Графеновой Долины». Подробнее здесь.
2020
Ученые накачали графен светом
29 октября 2020 года пресс-служба МФТИ сообщила о том, что физики из МФТИ и Владимирского государственного университета сумели повысить эффективность передачи энергии света в колебания на поверхности графена почти до 90%. Для этого они использовали энергетическую схему преобразования, наподобие лазерной и коллективные резонансные эффекты. Работа опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews.
Манипулирование светом на наномасштабе — одна из важнейших задач, которую необходимо решить для создания сверхкомпактных устройств преобразования и хранения энергии оптического излучения. Поверхностные плазмон-поляритоны — это свет, локализованный на границе раздела двух материалов с резким контрастом по показателю преломления, в частности — проводника и диэлектрика. Преимущество работы с такими поверхностными волнами — это возможность локализации света на очень малых пространственных масштабах порядка нескольких нанометров. В зависимости от сочетания материалов проводника и диэлектрика можно добиться различной степени локализации поверхностных волн; в простейшем случае используют сочетание металла и воздуха. Оказывается, что самого сильного эффекта можно достичь тогда, когда свет локализуется на двумерном материале, обладающем толщиной всего лишь в один атомарный слой, поскольку такие двумерные материалы обладают достаточно большим показателем преломления.
Эффективность энергопередачи света в плазмон-поляритоны на двумерной поверхности при использовании существующих схем составляет не более 10%. Для того чтобы поднять процент, можно использовать промежуточные преобразователи сигнала в виде нанообъектов различного химического состава и геометрии.
В качестве таких объектов авторы работы использовали полупроводниковые квантовые точки, которые имеют размер от 5 до 100 нанометров и химический состав, сходный со сплошным полупроводником, из которого они изготовлены. Однако оптические свойства квантовой точки сильно зависят от ее размера. Поэтому, меняя размер квантовой точки, мы можем настроиться на интересующую нас длину волны света. Если светить на ансамбль квантовых точек разного размера естественным светом, то одни из них откликаются на одну длину волны, другие — на другую.
Квантовые точки различаются химически и геометрически. Это могут быть цилиндры, пирамидки, сферы. Авторы в своей работе использовали эллипсоидные квантовые точки с диаметром 40 нанометров. Квантовые точки служили рассеивателями, находящимися над поверхностью графена, на которую падало инфракрасное излучение на длине волны 1,55 мкм. Между квантовыми точками и графеном располагалась буферная прослойка из диэлектрика толщиной несколько нанометров.
Идея использовать в качестве рассеивателя квантовую точку не нова: были работы, в которых квантовая точка находилась над поверхностью графена и взаимодействовала и со светом, и с электромагнитной волной, бегущей по поверхности, на одной общей для этих двух процессов длине волны. Это достигалось подбором нужного размера квантовой точки. Такую систему достаточно просто настроить на резонанс, но при этом большую роль начинают играть процессы тушения люминесценции — перетекания энергии падающего света в тепло, а также обратного перерассеяния света. В результате эффективность перетекания энергии именно в плазмон-поляритоны оказывалась на уровне не выше 10%.
| | Мы рассмотрели схему, в которой квантовая точка, располагающаяся над поверхностью графена, одновременно взаимодействует и с падающим светом, и с бегущей поверхностной электромагнитной волной, но частоты, на которых происходит это взаимодействие, разные. Со светом она взаимодействует на длине волны 1,55 микрометра, а с электромагнитной волной, бегущей по поверхности, то есть с плазмоном-поляритоном — на длине волны 3,5 микрометра. Этого можно достичь, если использовать гибридную схему взаимодействия, — комментирует соавтор работы Алексей Прохоров, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и доцент Владимирского государственного университета | |
Суть гибридной схемы взаимодействия заключается в том, что в работе используется не два энергетических уровня — верхний и нижний — а включается еще промежуточный уровень. То есть авторы решили использовать схему, напоминающую энергетическую структуру лазера. Только теперь промежуточный энергетический уровень служит исключительно для того, чтобы осуществлялась сильная связь квантовой точки с поверхностной электромагнитной волной. Возбуждение квантовой точки происходит на длине волны лазера, который ее подсвечивает, а преобразование в поверхностную волну происходит уже на длине волны, соответствующей резонансу квантовой точки с плазмон-поляритоном.
| | Мы работали с различными материалами для изготовления квантовых точек и с различными типами графена. Графен может быть в чистом виде, а может быть так называемый допированный графен. В зависимости от типа допирования, при котором в графен встраиваются элементы из соседних групп таблицы Менделеева, меняется его химический потенциал. Мы оптимизировали параметры квантовой точки, ее химию, геометрию и тип графена так, чтобы эффективность передачи энергии света в поверхностные плазмон-поляритоны становилась максимальной. В качестве квантовой точки использовался антимонид индия InSb, в качестве графена — допированный графен, — рассказывает Алексей Прохоров | |
Но, хотя энергия заводится через квантовую точку в графен с достаточно высокой эффективностью, интенсивность волн, которые там возникают, ничтожна. Поэтому нужно использовать большое число квантовых точек, которые располагаются над поверхностью графена в определенном порядке. Задача ученых заключалась в том, чтобы найти именно ту геометрию, то расстояние между квантовыми точками, при котором происходило бы усиление сигналов за счет фазировки ближних полей от каждой квантовой точки, расположенной над графеном. В ходе работы они подобрали такую геометрию, в результате чего сигнал, формируемый в графене, становился на порядки мощнее того, что имел место при случайном расположении квантовых точек. Для последующих численных расчетов авторы использовали программные модули собственной разработки.
Эффективность преобразования из света в предложенной схеме, по расчетам, достигает 90–95%. С учетом всех возможных негативных факторов эффективность все равно сохранится выше 50%, что в разы превышает ранее достигнутые показатели.
| | Большая цель исследований — создание ультракомпактных приборов, которые могли бы с высокой эффективностью преобразовывать энергию света в поверхностные плазмон-поляритоны на очень маленьком пространственном масштабе и, таким образом, записать энергию света в какую-то структуру. К тому же поляритоны можно копить, то есть потенциально возможно разработать сверхтонкую аккумуляторную батарею в несколько атомарных слоев. Можно на основе этого эффекта создать преобразователи световой энергии вроде солнечных батарей, только с эффективностью в разы больше. Другое перспективное применение — это детектирование различных нано- и биообъектов, — прокомментировал Валентин Волков, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ | |
Созданы сенсоры инфракрасного и терагерцового излучения из графена с черным фосфором и мышьяком
23 марта 2020 года стало известно о том, что ученые из МФТИ совместно с коллегами из Японии и США рассчитали параметры фотоприемников из слоев графена и смеси черных фосфора и мышьяка. Такие сенсоры способны улавливать излучение с энергией меньше запрещенной зоны этих слоев без графена. Также их легко модифицировать для увеличения чувствительности к нужной длине волны света. Подобные сенсоры могут заменить приемники дальнего инфракрасного и терагерцового излучения. Результаты опубликованы в журнале Optics Express.
Как сообщалось, дальний инфракрасный диапазон крайне важен как в разных бытовых применениях, так и в науке. Такие волны излучает космическая пыль, знания о которой крайне полезны для изучения эволюции галактик. Сенсоры инфракрасного света используются в приборах ночного видения, пультах дистанционного управления, ракетных системах самонаведения и в датчиках сердцебиения. Терагерцовое излучение применяется в системах безопасности для сканирования багажа. Оно при этом безопаснее рентгеновского. Сенсоры инфракрасного и терагерцового излучения найдут свое применение во многих областях техники.
Авторы исследования рассмотрели межполосные фотоприемники дальнего инфракрасного излучения на основе одного графенового монослоя. Графен был окружен слоями из смеси черного фосфора и черного мышьяка в различных пропорциях. Регулируя соотношение этих веществ, можно сдвигать рабочий диапазон частот фотоприемника. Черные фосфор и мышьяк имеют разные диапазоны энергий, недоступных для электронов. Переход электрона (или дырки) из одной разрешенной зоны графена в другую с последующим выходом в зону проводимости черного фосфора или мышьяка регистрируется в подобном фотоприемнике. Однако из-за температурных эффектов в сенсорах инфракрасного и терагерцового диапазона регистрируется сигнал даже «в темноте», то есть без воздействия электромагнитных волн. Оказалось, что в рассмотренных слоистых структурах такой темновой ток гораздо меньше, чем в используемых на март 2020 года.
| | Мы рассчитали параметры светочувствительных элементов, которые могут улавливать дальний инфракрасный свет, изготовленных на основе графенового монослоя. Такие фотоприемники могут заменить почти любые используемые на март 2020 года датчики инфракрасного и терагерцового излучения. За счет слабого темнового тока и высокой фоточувствительности можно добиться хорошего соотношения "сигнал — шум" даже при приеме излучения низкой интенсивности. Если приложить нужное напряжение, рабочий диапазон таких приемников можно менять без потери качества приема сигнала. Подобные сенсоры могут повысить эффективность работы инфракрасных телескопов. Рассчитанные приемники при высоких температурах должны давать гораздо более чистый сигнал, чем используемые на март 2020 года. рассказал Виктор Рыжий, заведующий лабораторией двумерных материалов и наноустройств МФТИ | |
Материал на основе графена позволит продлить срок службы устройств хранения данных
27 января 2020 года стало известно о том, что международная группа ученых НИТУ «МИСиС» и Национального института квантовых наук и радиологии (Япония) разработали материал, который позволит существенно увеличить плотность записываемой информации в устройствах хранения данных, таких как твердотельные диски и флеш-накопители. К преимуществам материала также стоит отнести отсутствие лимита перезаписи, что позволит внедрить устройства из материала в актуальную технологию Big Data. Статья о разработке опубликована в журнале Advanced Materials.
Как сообщалось, разработка компактных, вместительных и надежных устройств памяти – все более возрастающая необходимость. На январь 2020 года традиционными являются устройства, в которых информация переносится при помощи электрического тока; простейший пример – флеш-карта или внешний жесткий диск. При этом время от времени пользователи неизбежно сталкиваются с проблемами: файл может записаться некорректно, компьютер может перестать «видеть» флешку, а для записи большого количества информации требуются довольно громоздкие носители.
На январь 2020 года многообещающей альтернативой электронике является спинтроника, где управление переносом информации реализуется не только с помощью заряда электронов, но также и при помощи тока спинов – собственных моментов импульса электронов. В спинтронике устройства работают на принципе магниторезистивного эффекта (магнитного сопротивления): имеются три слоя, первый и третий из которых ферромагнитные, а средний – немагнитный. Проходя через такую структуру типа «сэндвич», электроны, в зависимости от их спина, по-разному рассеиваются в намагниченных краевых слоях, что влияет на результирующее сопротивление устройства. Детектируя увеличение или же уменьшение данного сопротивления, можно управлять информацией при помощи стандартных логических битов, 0 и 1.
Международная группа ученых НИТУ «МИСиС» и Национального института квантовых наук и радиологии, Япония (National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology) разработали материал, который может увеличить ёмкость магнитной памяти – благодаря повышению плотности записи. Ученые использовали комбинацию из графена и полуметаллического сплава Гейслера Co2FeGaGe (кобальт-железо-галлий-германий).
| | Японским коллегам удалось получить слой графена атомарной толщины на слое полуметаллического ферромагнитного материала и измерить его свойства. Данная работа стала возможна благодаря тесному международному взаимодействию. Японский коллектив, возглавляемый доктором Сейджи Сакаем, проводит эксперименты, в то время как наша группа занимается теоретическим описанием полученных данных. рассказал Павел Сорокин, руководитель научной группы с российской стороны, д.ф.-м.н., доцент, научный руководитель инфраструктурного проекта «Теоретическое материаловедение наноструктур «лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ "МИСиС" | |
| | Особенность используемого в гетероструктуре сплава проявляется в стопроцентной спиновой поляризации на уровне Ферми, что является необходимым условием для использования его в спинтронных устройствах. рассказал Константин Ларионов, научный сотрудник | |
| | В исследованной нами гетероструктуре графен не вступает в химическое взаимодействие с магнитным материалом, что позволяет сохранить его уникальные проводящие свойства. рассказал Захар Попов, старший научный сотрудник | |
Ранее в устройствах магнитной памяти не использовался графен: при попытках изготовления таких слоистых материалов атомы углерода вступали в реакцию с магнитным слоем, что приводило к изменению его свойств. Благодаря тщательному подбору состава сплава Гейслера, а также методов его нанесения, удалось создать более тонкий образец, по сравнению с предшествующими аналогами. Это, в свою очередь, позволит существенно повысить емкость устройств магнитной памяти без увеличения их физических размеров.
Следующие шаги ученых – масштабирование экспериментального образца и дальнейшая модификация структуры элемента.
2019: «Плавление» графена на самом деле является возгонкой
Ученые из Московского физико-технического института и Института физики высоких давлений им. Верещагина РАН с помощью компьютерного моделирования уточнили кривую плавления графита, изучение которой длится более ста лет и пестрит противоречивыми данными. Также они показали, что «плавление» графена на самом деле является возгонкой. Результаты опубликованы в журнале Carbon.
Графит — минерал, активно используемый в различных видах производств, в том числе для тепловой защиты космических аппаратов, поэтому точные сведения о его поведении при сверхвысоких температурах очень важны. Плавление графита начали исследовать еще в начале ХХ века. Около сотни экспериментальных работ в качестве температуры его плавления называли цифры в диапазоне от 3 000 до 7 000 К. Это очень большой разброс, непонятно, какой из цифр можно верить, какая из величин действительно температура плавления. Разные компьютерные модели тоже давали разные результаты.
Идеей исследователей было сравнить несколько компьютерных моделей и попытаться выделить какие-то общие предсказания. Для этого Юрий Фомин и Вадим Бражкин использовали два метода: классическую молекулярную динамику и первопринципную, которая учитывает квантово-механические эффекты. Первая дает неточности как раз из-за неучета квантовой механики. Вторая — из-за того, что учитывает взаимодействие только небольшого количества атомов и на коротком промежутке времени. Полученные результаты ученые сравнили с имеющимися экспериментальными и теоретическими данными.
Фомин и Бражкин показали, что существующие модели сильно неточны. Но сравнение результатов, полученных из разных теоретических моделей, и их перекрытие позволяет давать объяснение экспериментальным данным.
Еще в 1960-е предсказывали, что на кривой плавления графита должен существовать максимум Существование максимума на кривой плавления говорит о сложном поведении жидкости — в ней должны происходить плавные изменения структуры. Потом существование максимума то открывали, то закрывали. Результаты Фомина и Бражкина показывают, что структура жидкого углерода над кривой плавления графена претерпевает изменения, а значит, максимум должен существовать.
Вторая часть работы посвящена исследованию плавления графена. Экспериментов по плавлению графена нет. Ранее предсказывали на основе компьютерного моделирования, что температура плавления графена — 4500 или 4900 K. Соответственно, двумерный углерод считали самым тугоплавким веществом в мире.
| | В нашей работе мы обратили внимание на то, что `плавление` графена происходит неким странным образом, посредством образования линейных цепочек. Мы показали, что на самом деле там наблюдается не плавление, а переход сразу в газообразное состояние — возгонка, комментирует Юрий Фомин, доцент кафедры общей физики МФТИ
| |
Этот результат позволяет лучше понять природу фазовых переходов в низкоразмерных углеродных материалах, которые рассматриваются как важные составные части многих разрабатываемых технологий — от электроники до медицины.
Исследователи обобщили и уточнили описание кривой плавления графита, подтвердили наличие плавного структурного перехода в жидком углероде. Их расчеты показали, что температура плавления графена в атмосфере аргона близка к температуре плавления графита.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда с использованием вычислительных ресурсов федерального центра коллективного пользования «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса» в НИЦ «Курчатовский институт»
