В Красноярске синтезировали новый двумерный материал из слоев сульфида меди и гидроксида магния с алюминием. В отличие от предыдущих материалов, это соединение не содержит железа. Оно обладает уникальными термоэлектрическими свойствами и может применяться для преобразования тепловой энергии в электрическую, например, в аналогах солнечных батарей для инфракрасного диапазона или термоэлектрических генераторах. Результаты исследования опубликованы в журнале. Nanoscale.
Более двадцати лет мировое сообщество учёных уделяет внимание материалам атомарной толщины. Двумерные материалы всё чаще встречаются благодаря своим свойствам. Предполагается, что их характеристики позволят создать новые устройства в электронике и спинтронике, источниках тока, катализаторах и так далее. Количество известных двумерных материалов пока невелико. Учёные продолжают разрабатывать и синтезировать их новые виды.
Ученые Красноярского научного центра СО РАН впервые создали новый двумерный материал. Изучение минералов группы валлериита послужило для исследователей источником вдохновения при открытии нового соединения. Ранее новое соединение не было известно ни в виде природного минерала, ни как синтетического продукта. Материал состоит из чередующихся слоев сульфида меди и гидроксида магния и алюминия.
«В предыдущих работах нами Разработаны методики гидротермального синтеза двухмерных слоистых сульфидно-гидроксидных материалов. В лаборатории изучали аналоги природных минералов валлериита и то Chili niti. В валлериите сульфидные слои содержат железо и медь, а в тоChili ните — только железо. Чтобы выяснить, что произойдёт без железа, решили синтезировать материал с меди, получив «медистый тоChili nit». В природе этот минерал найти не удалось, скорее всего, потому что железо широко распространенное вещество в земной коре. — сообщил кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Роман Борисов. Первые испытания выявили, что создание данного материала возможно лишь при добавлении алюминия к гидроксидному слою вместе с магнием. Усовершенствовав условия, добились выхода на 100% новой, ранее неизвестной фазы. Исследования выявили образование материала из чередующихся двухмерных слоев сульфида меди и двойного слоистого гидроксида магния и алюминия. Предполагаем высокую химическую стабильность нового материала и интересные свойства, перспективные для электроники и фотокатализа.
Исследователи при помощи простого метода гидротермального автоклавного синтеза при высоких температурах и давлениях получили материал из чередующихся сульфидных и гидроксидных слоёв. Такой метод позволяет контролировать состав слоёв и влиять на их электронные, оптические и другие свойства. Структура «самособирается» за счёт электростатического взаимодействия противоположно заряженных слоёв сульфида и гидроксида. Ученые обнаружили, что структура нового материала напоминает минерал халькозин, поэтому разработанный кристалл можно считать его синтетическим аналогом с улучшенными свойствами.
С точки зрения материаловедения, нужно определить структуру синтезированного вещества: расстояние между атомами и симметрию кристаллической решетки. Опыт работы с валлериитами, как синтетическими, так и природными, послужил нам опорой. Работа велась на основе предполагаемого сходства новой структуры с валлериитовой. Валлерииты — Это многослойный пирог из электростатически связанных сульфидных и гидроксидных слоев. Предполагается, что гидроксидный слой такой же, как в валлериите, поэтому внимание сосредоточено на установлении структуры сульфидных слоев.
Определить эту структуру было затруднительно. Индивидуальные слои новой фазы, как и в синтетических валлериитах, ориентированы друг относительно друга случайным образом, что приводит к потере значительной структурной информации. Поэтому исследователи изучили другие фазы, которые могли бы являться прототипами для сульфидных слоев. В результате длительных работ остановились на гексагональном халькозине и произвели «операцию» по отрезанию «лишних» атомов, чтобы получить индивидуальные слои.
Далее проведена компьютерная симуляция дифрактограммы для структуры, где сульфидные слои чередуются с гидроксидными. Модель без варьирования и уточнения координат атомов отлично описывает эксперимент. При изучении синтезированного материала под электронным микроскопом, где стали видны чередующиеся слои на уровне отдельных частиц, подтвердилось правильность предложенной модели. Денис Карпов, аспирант ИЦМ СФУ и младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН, соавтор работы, проиллюстрировал процесс определения структуры.
Кристаллы напоминают слоеный пирог, состоящий из чередующихся плоскостей сульфида меди и гидроксидов магния и алюминия. Многочисленные плоские частицы имеют вид хлопьев размером от 0,5 до 2 нанометров в длину и от 20 до 40 нанометров в толщину.
Исследования показали, что новый представитель семейства валлериитов обладает хорошей способностью преобразовывать тепловую энергию в электрическую и наоборот, а также высокой проводимостью.
Полупроводник является сильно легированным p-типом, с большим количеством носителей положительного заряда в кристаллической решётке. Его можно использовать для преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэлектрических устройствах, таких как термоэлектрические генераторы, солнечные элементы и охладители.
Как первые получатели этого материала, мы имеем дело с неизвестными ему свойствами. В то же время свойства трёхмерных фаз, являющихся образцами двумерных слоёв материала, достаточно изучены. Материал, полученный нами, создан путем последовательного расположения слоёв с структурой, схожей на тончайший срез халькозина, минерала меди. D-слоями, представляющими собой 2D-листы двойного слоистого гидроксидамагния и алюминия.Гидроксид магния – изолятор, сопротивление которому крайне велико. Халькозин же обладает высокой электропроводностью, в некоторых случаях сопоставимой с металлами. Электронное строение сульфидов должно определять электрические свойства материала. D-листов.Измерения установили, что новая разработка обладает удельной электропроводностью, превосходящей электропроводность валлериита на много порядков. Исследование показало, что данный материал отличается от валлериита, являющегося полупроводником. nМатериалом, обладающим электропроводимостью, являются такие материалы, где основными проводниками электрического тока выступают электроны. pГлавными носителями тока являются электронные вакансии, называемые дырками. Предположили, что материал с такой слоистой структурой при высокой электропроводности сульфидных слоев будет проявлять термоэлектрический эффект. Это явление служит основой одного из немногих способов получения электричества без движущихся частей. Оно заключается в генерации электроэнергии при наложении на образец полупроводникового материала «перепада» температуры. Известно, что эффективность термоэлектрика зависит от его удельной электрической проводимости и теплопроводности. Именно такими качествами должен обладать открытый нами материал, что подтверждено экспериментами. Руководитель проекта Максим Лихацкий, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН, сделал такой вывод.
Новые свойства этого материала делают его перспективным для превращения тепла в электричество и охлаждения электронных деталей. Учёные нашли способ производить и настраивать характеристики новых двумерных материалов с этими свойствами.
Проект получил поддержку от Российского научного фонда (заявка № 22-13-00321).
Информацию предоставил Сибирский федеральный научный центр СО РАН.
Источник фото: ru.123rf.com