Российские и американские физики впервые описали поведение электронов в двумерных кристаллах ниобата теллура и выяснили, как влияет двумерность материала на проводящие свойства.

Системы, в которых электроны могут двигаться только по двум координатам, называют двумерными (2D). Их изучением занимаются уже несколько десятилетий. Эти исследования перешли на новый уровень, когда физики научились получать двумерные материалы, представляющие собой очень тонкие пленки толщиной от одного до нескольких атомов. Первым по-настоящему двумерным кристаллом, состоящим из одного слоя атомов углерода, стал полученный в 2004 году графен. За его исследование Нобелевскую премию 2010 года получили Андрей Гейм и Константин Новоселов.

Структура кристаллов ниобата теллура с атомами кремния.

Вид сверху на один слой ниобата теллура.

d – снимок образца пленки ниобата теллура. е – изображение выбранного участка в атомно-силовом микроскопе; 2L, 5L и 6L – число слоев; вставка показывает высоту би-слоя (~ 1.4nm).

Последние достижения в области методов микрорасслаивания дали возможность получать 2D кристаллы из ранее недоступных материалов. Свойства таких 2D материалов радикально отличаются от их «объемных» аналогов. Например, графен прозрачен, проводит ток лучше меди, имеет хорошую теплопроводность. Исследователи рассчитывают, что другие варианты двумерных материалов могут обладать еще более экзотическими свойствами.  

Команда физиков из России и США, в состав которой вошли Павел Сорокин и Любовь Антипина (МФТИ, Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов, Институт биохимической физики РАН) и Захар Попов (Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН) исследовали свойства кристаллов ниобата теллура с атомами кремния — Nb₃SiTe₆. Это вещество было обнаружено два десятилетия назад, но оставалось малоизученным. По своей структуре его кристаллы напоминают сэндвичи толщиной в три атома (около 4 ангстрем): слой теллура, слой ниобия со «вкрапленными» атомами кремния, а затем снова слой теллура.

Ниобат теллура относится к классу дихалькогенидов металлов – материалов, имеющих химическую формулу MX₂, где M — переходной металл, а X — халькоген (кислород, сера, селен или теллур). В отличие от полуметалла графена, дихалькогениды являются полупроводниками, поскольку имеют запрещенную зону для электронов (запрещенную область энергий, отделяющую валентную зону от зоны проводимости). Это делает их перспективными материалами для использования в электронике, светодиодах и полупроводниковых лазерах.

Интерес к двумерным материалам в микроэлектронике связан в первую очередь с тем, что там фактически используется только поверхность полупроводника, а весь остальной его объем – лишь балласт, мешающий дальнейшей миниатюризации. Двумерные материалы из нескольких слоев атомов позволят уменьшить размер транзисторов и других устройств. Но, возможно, их свойства найдут и другое применение. Так, нобелевский лауреат Константин Новоселов в 2014 году предложил на их основе концепцию нового высокотемпературного сверхпроводника.

В лаборатории Университета Тулейна (Новый Орлеан) физики вырастили кристаллы Nb₃SiTe₆, затем «отщепили» от них тонкие слои — образцы, которые исследовали с помощью трансмиссионной электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и других методов. Целью исследователей было проверить, как с обретением двумерности в веществе меняется электрон-фононное взаимодействие.

Фононами называют квазичастицы, кванты колебаний кристаллической решетки — физики ввели понятие фононов, поскольку это помогло упростить описание процессов в кристаллах, подчиняющихся квантовым законам. Электрон-фононное взаимодействие – это взаимодействие электронов с кристаллической решеткой. Оно очень важно при описании проводящих свойств в веществе. Проще говоря, от него зависит сопротивление вещества.

«Мы разработали теорию, которая предсказывала, что в двумерном материале подавляется электрон-фононное взаимодействие за счет размерных эффектов, то есть, грубо говоря, материал меньше препятствует движению электронов», — говорит один из участников исследования доктор физико-математических наук Павел Сорокин.

Американские коллеги экспериментально подтвердили это предсказание. «Они провели измерения, где обнаружили этот эффект. Наши расчеты позволили отбросить другие варианты объяснений, мы смогли доказать, что электрон-фононное взаимодействие меняется именно за счет двумерности пленки», — добавляет Сорокин.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics 

По материалам МФТИ