28.05.2020 - Skolkovo Institute of Science and Technology

Ihr Salz wert: Forscher berichten über ersten Fall von hexagonalem NaCl

Wissenschaftler von Skoltech und MIPT haben die Existenz exotischer hexagonaler NaCl-Dünnschichten auf einer Diamantoberfläche vorhergesagt und dann experimentell bestätigt. Diese Filme können sich als Gate-Dielektrika für Feldeffekttransistoren in Elektrofahrzeugen und Telekommunikationsgeräten als nützlich erweisen.

Da Graphen, der berühmte zweidimensionale Kohlenstoff, im Jahr 2004 von den zukünftigen Nobelpreisträgern Andre Geim und Konstantin Novoselov experimentell hergestellt und charakterisiert wurde, begannen die Wissenschaftler damit, andere 2D-Materialien mit interessanten Eigenschaften zu untersuchen. Dazu gehören Silicium, Zinn und Borophen - Monoschichten aus Silicium, Zinn bzw. Bor - sowie 2D-Schichten aus MoS2, CuO und anderen Verbindungen.

Die Skoltech-Doktorandin Kseniya Tikhomirova, Dr. Alexander Kvashnin von Skoltech und Professor Artem R. Oganov von Skoltech und MIPT bauten zusammen mit ihren Kollegen auf früheren Untersuchungen von NaCl-Dünnschichten auf, um die Hypothese der Existenz eines ungewöhnlichen nanometerdicken hexagonalen NaCl-Films auf der (110)-Oberfläche von Diamant aufzustellen.

"Ursprünglich haben wir uns entschieden, nur eine rechnerische Untersuchung der Bildung neuer 2D-Strukturen auf verschiedenen Substraten durchzuführen, getrieben von der Hypothese, dass, wenn ein Substrat stark mit dem NaCl-Dünnfilm wechselwirkt, man große Veränderungen in der Struktur des Dünnfilms erwarten kann. In der Tat erzielten wir sehr interessante Ergebnisse und sagten die Bildung eines hexagonalen NaCl-Films auf dem Diamantsubstrat voraus und beschlossen, Experimente durchzuführen. Dank unserer Kollegen, die die Experimente durchführten, konnten wir dieses hexagonale NaCl synthetisieren, was unsere Theorie beweist", sagt Kseniya Tikhomirova, die Erstautorin der Arbeit.

Die Forscher verwendeten zunächst USPEX, den von Oganow und seinen Studenten entwickelten evolutionären Algorithmus, um Strukturen mit der niedrigsten Energie allein auf der Grundlage der beteiligten chemischen Elemente vorherzusagen. Nachdem sie den hexagonalen NaCl-Film vorhergesagt hatten, bestätigten sie dessen Existenz durch experimentelle Synthese und Charakterisierung mittels XRD- (Röntgenbeugung) und SAED-Messungen (selektive Flächenelektronenbeugung). Die durchschnittliche Dicke des NaCl-Films betrug etwa 6 Nanometer - ein dickerer Film würde von einer hexagonalen zu einer kubischen Struktur zurückkehren, was für das uns bekannte Kochsalz typisch ist.

Wissenschaftler glauben, dass hexagonales NaCl aufgrund der starken Bindung an das Diamantsubstrat und einer großen Bandlücke gut als Gate-Dielektrikum in Diamant-FETs funktionieren kann - Feldeffekttransistoren, die Potenzial für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, Radar- und Telekommunikationsgeräten aufweisen. Nun verwenden diese FETs typischerweise hexagonales Bornitrid, das eine ähnliche Bandlücke, aber eine viel schwächere Bindung an das Substrat aufweist.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Gebiet der 2D-Materialien noch sehr jung ist, und die Wissenschaftler haben nur einen kleinen Teil der möglichen Materialien mit faszinierenden Eigenschaften entdeckt. Wir haben eine lange Geschichte, die 2014 beginnt, als wir die Art und Weise beschrieben, wie kubische NaCl-Dünnschichten in hexagonale, graphenähnliche Schichten aufgespalten werden können. Dies zeigt, dass sich hinter dieser einfachen und verbreiteten Verbindung, die scheinbar gut erforscht ist, viele interessante Phänomene verbergen, insbesondere im Nanobereich. Diese Arbeit ist unser erster Schritt auf der Suche nach neuen Materialien wie NaCl, die jedoch eine bessere Stabilität (geringere Löslichkeit, höhere thermische Stabilität usw.) aufweisen, die dann effektiv in vielen Anwendungen in der Elektronik eingesetzt werden können", bemerkt Alexander Kvashnin, leitender Forschungswissenschaftler bei Skoltech.

Diese Arbeit bringt uns dem Verständnis näher, wie man das Aussehen und damit die Eigenschaften von zweidimensionalen Materialien mit einem Substrat kontrollieren kann. Die Forschung öffnet auch die Tür zu weiteren 2D-Materialien mit potenziellen Anwendungen in der Elektronik und darüber hinaus.

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