Skoltech- och MIPT-forskare har förutspått och sedan experimentellt bekräftat förekomsten av exotiska hexagonala tunna filmer av NaCl på en diamantyta. Dessa filmer kan vara användbara som grinddielektrik för fälteffekttransistorer i elektriska fordon och telekommunikationsutrustning. Forskningen, stöds av Russian Science Foundation, publicerades i The Journal of Physical Chemistry Letters .

Som grafen, det berömda tvådimensionella kolet, framställdes experimentellt och karakteriserades 2004 av framtida Nobelpristagare Andre Geim och Konstantin Novoselov, forskare började titta på andra 2D-material med intressanta egenskaper. Bland dessa finns silicen, stanen och borofen - monolager av kisel, tenn, och bor, respektive – samt 2D-lager av MoS ₂ , CuO, och andra föreningar.

Skoltech Ph.D. student Kseniya Tikhomirova, Dr Alexander Kvashnin från Skoltech och professor Artem R. Oganov från Skoltech och MIPT byggde tillsammans med sina kollegor på tidigare studier av tunna NaCl-filmer för att anta förekomsten av en ovanlig nanometertjock hexagonal NaCl-film på diamantytan (110).

"Initialt bestämde vi oss för att endast utföra en beräkningsstudie av bildandet av nya 2D-strukturer på olika substrat, drivs av hypotesen att om ett substrat interagerar starkt med den tunna NaCl-filmen, man kan förvänta sig stora förändringar i den tunna filmens struktur. Verkligen, vi fick mycket intressanta resultat och förutspådde bildandet av en hexagonal NaCl-film på diamantsubstratet, och bestämde sig för att utföra experiment. Tack till våra kollegor som utförde experimenten, vi syntetiserade denna hexagonala NaCl, vilket bevisar vår teori, " säger Kseniya Tikhomirova, tidningens första författare.

Forskare använde först USPEX, den evolutionära algoritmen utvecklad av Oganov och hans elever, att förutsäga strukturer med lägst energi baserat på bara de inblandade kemiska grundämnena. Efter att ha förutspått den hexagonala NaCl-filmen, de bekräftade dess existens genom att utföra experimentell syntes och karakterisering med XRD (röntgendiffraktion) och SAED (selected area electron diffraction) mätningar. Den genomsnittliga tjockleken på NaCl-filmen var cirka 6 nanometer - en tjockare film skulle återgå från hexagonal till kubisk struktur, typiskt för det bordssalt vi känner till.

Forskare tror att på grund av stark bindning till diamantsubstratet och ett brett bandgap, hexagonal NaCl kan fungera bra som en gate-dielektrikum i diamant-FET:er - fälteffekttransistorer som visar potential för användning i elektriska fordon, radar, och telekommunikationsutrustning. Nu använder dessa FET vanligtvis hexagonal bornitrid, som har liknande bandgap men mycket svagare bindning till substratet.

"Våra resultat visar att området för 2D-material fortfarande är mycket ungt, och forskare har upptäckt endast en liten del av möjliga material med spännande egenskaper. Vi har en lång historia som började 2014 när vi beskrev hur tunna kubiska NaCl-filmer kan delas upp i hexagonala grafenliknande lager. Detta visar att denna enkla och vanliga förening, till synes väl studerade, döljer många intressanta fenomen, speciellt i nanoskala. Detta arbete är vårt första steg mot sökandet efter nya material som NaCl men med bättre stabilitet (lägre löslighet, högre termisk stabilitet, och så vidare) som sedan effektivt kan användas i många applikationer inom elektronik, " noterar Alexander Kvashnin, senior forskare vid Skoltech.

Detta arbete för oss närmare att förstå hur man kontrollerar utseendet och, som en konsekvens, egenskaperna hos tvådimensionella material med användning av ett substrat. Forskningen öppnar också dörren till fler 2D-material med potentiella tillämpningar inom elektronik och vidare.