Руслан Кеворкянц, старший научный сотрудник лаборатории кристаллофотоники СПбГУ, провел исследование физических свойств силадиаманов — теоретических кремниевых полупроводников с исключительной тонкостью. Полученные данные подтверждают их высокую прочность и устойчивость к воздействию температуры, что делает их многообещающими для применения в микроэлектронике, энергетике и фотокатализе. Материалы исследования были опубликованы в научном журнале Next Materials.
Силадиаманы представляют собой ультратонкие материалы, состоящие из двух слоев атомов кремния толщиной менее одного нанометра. Эти материалы аналогичны диаманам (ультратонким материалам с алмазной структурой, состоящим из двух слоев атомов углерода), однако изготавливаются из кремния, что и обусловило их название – «силадиаманы», образованное от латинского слова Silicon (кремний).
Эти материалы представляют собой наиболее тонкие кремниевые полупроводники, которые, согласно теоретическим расчетам, могут быть использованы для производства компьютерных чипов. На данный момент их существование ограничено лишь вычислительными моделями, основанными на квантово-химическом моделировании, и они еще не были синтезированы. Тем не менее, исследователи считают, что такие полупроводники способны значительно повысить скорость процессов в микроэлектронике, энергетике и фотокатализе.
В настоящее время ученые занимаются оценкой перспектив разработки подобных полупроводников и определением их потенциальных возможностей. Руслан Кеворкянц, ведущий научный сотрудник лаборатории кристаллофотоники СПбГУ, с помощью химических расчетов исследовал ключевые физические свойства силадиаманов.
«Изучение проводилось для определения трех ключевых параметров: модуля Юнга, характеризующего жесткость, коэффициента Пуассона, демонстрирующего степень сжатия материала при растяжении, и модуля сдвига, отражающего устойчивость к деформации. Кроме того, была проверена термическая стабильность. Согласно полученным данным, силадиаманы сохраняют структуру при нагревании от комнатной температуры до температур, превышающих 100 °C. Это подтверждено расчетами, выполненными методом молекулярной динамики, – отметил Руслан Кеворкянц.
Силадиаманы характеризуются высокой прочностью, сопоставимой с таковой у известных двумерных материалов, например, сульфида молибдена (MoS₂) или черного фосфора. Благодаря этому свойству, они представляют интерес для использования в гибкой электронике, наноэлектромеханических системах (NEMS) и в качестве защитных покрытий.
Эти вещества обладают динамической стабильностью, поскольку их структура характеризуется минимальным энергетическим состоянием. Изменение структуры на более выгодное невозможно без преодоления энергетического барьера и внешнего воздействия. Данная устойчивость гарантирует отсутствие деградации материала и внезапного изменения его свойств с течением времени, что является ключевым фактором для долгосрочных технологических применений. В совокупности с высокой прочностью это позволяет разрабатывать надежные устройства, предназначенные для эксплуатации в экстремальных условиях, таких как высокие температуры или значительные механические нагрузки.
Силадиаманы представлены двумя разновидностями: AA и AB, которые различаются структурой атомных слоев. В AA-структуре слои располагаются непосредственно друг над другом, а в AB-структуре формируется шестиугольная укладка. Обе модификации обладают стабильностью, однако демонстрируют незначительные отличия в характеристиках. В частности, AB-версия обладает более высокой электропроводностью: «энергетический барьер» для электронов у нее равен 2.10 эВ, в то время как у AA-версии — 1.88 эВ. Для сравнения, в кремнии, используемом в современных чипах, этот барьер составляет всего 1.1 эВ.
Силадиаманы способны обрабатывать различные типы сигналов, что позволяет разрабатывать ультратонкие и энергоэффективные микросхемы нового поколения. Их уникальная структура также обеспечивает возможность интеграции органических молекул, формируя гибридные материалы. В частности, подобные сочетания могут эффективно расщеплять воду на водород и кислород при воздействии солнечного света.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ