Химики из США и Индии впервые синтезировали галленен — двумерный кристалл галлия. С помощью эксфолиации галлия, нагретого до температуры плавления, ученым удалось получить двумерный кристалл толщиной около пяти атомных слоев на нескольких подложках различного состава. Галленен, полученный таким образом, может иметь сразу две различные конфигурации: плоскую гексагональную или немного искривленную ромбическую, пишут ученые в Science Advances.

Свойства двумерных кристаллов, состоящих всего из одного или нескольких атомных слоев, могут довольно сильно отличаться от свойств трехмерных материалов того же состава. Поскольку такие материалы оказываются перспективными для использования в качестве элементов различных наноэлектронных устройств, для все большего количества трехмерных материалов появляются двумерные аналоги. После открытия более десяти лет назад графена — двумерной модификации углерода — ученые научились получать двумерные кристаллы смешанного состава, например нитрид бора или дисульфид молибдена, а также некоторые металлы, в частности двумерное олово (станен), или небольшие участки двумерного железа. Финские ученые даже составили атлас всех возможных двумерных металлов, рассчитав теоретически их механические и электронные свойства.

На этот раз ученые из США и Индии под руководством Пуликела Аджаяна (Pulickel M. Ajayan) из Университета Райса впервые получили галленен — двумерный галлий. Пленки галлия толщиной в несколько атомов были получены на кремниевой подложке методом эксфолиации — «отрывания» одного слоя от объемного кристалла. Авторы работы отмечают, что в отличие от подавляющего большинства других двумерных материалов, галленен не может быть синтезирован путем осаждения из газовой фазы, поэтому эксфолиация остается единственным доступным на данный момент методом его получения. При этом связь между слоями в кристалле галлия значительно сильнее, чем в графите, поэтому наиболее простая методика эксфолиации с использованием клейкой ленты, которую изначально использовали для получения графена, тоже не подходит.

Поэтому авторы работы предложили метод, основанный на использовании низкой температуры плавления галлия, которая составляет 29,8 градуса Цельсия. Небольшую каплю галлия, изначально нагретую до 50 градусов Цельсия, охлаждали до температуры плавления, при которой галлий начинает кристаллизоваться. Сила притяжения между разными слоями галлия в этот момент очень небольшая, поэтому при контакте с более холодной подложкой небольшой слой толщиной в несколько атомов может адсорбироваться на ней и образовать таким образом нужный двумерный кристалл.

В качестве материала подложки для получения галленена ученые использовали несколько различных вариантов: кремний, оксид кремния, нитрид и арсенид галлия и несколько различных металлов. Наименее дефектные пленки были получены на подложке из кремния, покрытой слоем оксида. Во всех случаях толщина пленок галленена составляла около 4 нанометров, что соответствует примерно от 4 до 6 атомных слоев галлия. При этом площадь пленок в отдельных случаях достигала сотни квадратных микрометров.

Стоит отметить, что с помощью предложенного метода ученым удалось получить пленки галленена для двух различных кристаллографических направлений. Если для одного из направлений характерно образование абсолютно плоской структуры с гексагональной решеткой (такой же, как в графене или нитриде бора), то эксфолиация вдоль другого направления приводит к образованию более необычной искаженной ромбической решетки, еще и немного искривленной в вертикальном направлении. Атомную структуру каждого из двух типов пленок ученые исследовали с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения.

Авторы исследования отмечают, что пленки галленена связываются с подложкой довольно прочными химическими связями, а не ван-дер-ваальсовами, как это делают, например, дисульфид молибдена или нитрида бора. Именно образование химической связи становится одной из причин повышения устойчивости галленена. Кроме этого, химики показали возможность объединения пленок галленена в многослойные гетероструктуры с другими двумерными материалами, в частности дисульфидом молибдена.

По словам ученых, полученные ими результаты говорят о перспективности использования двумерного галлия в качестве проводящего элемента многослойных гетероструктур. Помимо этого, предложенная химиками методика может в дальнейшем быть использована для получения и других двумерных металлов с относительно невысокой температурой плавления.

Возможность объединять несколько двумерных материалов в единые структуры очень важна в контексте их дальнейшего использования для разработки электронных наноустройств. При этом объединять их можно не только складывая стопками, но и «сшивая» по краям в единый двумерный кристалл. Таким образом в двумерном материале можно получать упорядоченные структуры, в которых полосы различного состава сменяют друг друга, или создавать одномерные провода другого состава.

Александр Дубов