Двумерный полимер наделили полупроводниковыми свойствами

Ученые предложили новый метод синтеза двумерных полимеров на основе азатриангуленов. Выяснилось, что новый материал имеет похожую на графен структуру кагоме и такие же конусы Дирака — необычные зависимости энергии электронных состояний от импульса. Однако, в отличие от графена, двумерный полимер обладает полупроводниковыми свойствами. Материал найдет применение в наноэлектронных устройствах. Статья опубликована в журнале Nature Materials.

У некоторых похожих на графен материалов можно наблюдать интересную особенность — конусы Дирака. Эта особенность электронной структуры названа так по виду зависимости энергии состояний электронов от их импульса. Если построить график такой зависимости для графена, можно наблюдать, как валентная зона и зона проводимости расходятся от уровня Ферми в виде конусообразных поверхностей. Для большинства материалов на таком графике вместо конусов можно заметить двуполостный гиперболоид. Такое, казалось бы незначительное изменение зависимости, сильно влияет на свойства материала и может порождать, например, аномальный эффект Холла, поверхностную сверхпроводимость и даже сверхтекучесть.

Ранее ученые предсказали существование конусов Дирака у перспективного класса двумерных материалов — 2D-π-сопряженных полимеров (2DCP). Однако из-за небольшого размера доменов 2DCP и большого количества дефектов, наблюдать эти особенности экспериментально до сих пор не удавалось. Ранее синтез этих двумерных полимеров исследователи проводили на поверхности жидкости, но у полученных таким методом материалов отсутствовал дальний порядок в расположении атомов, а размер доменов не превышал 20× 20 нанометров.

Физики под руководством Джорджио Контини (Giorgio Contini) из Римского университета Тор Вергата подошли к получению двумерных сопряженных полимеров с другой стороны. Они взяли за основу реакцию Ульмана. В ходе нее два ароматических соединения, содержащих атомы галогена, объединяются в одну структуру под действием катализатора. В качестве сырья исследователи использовали два похожих соединения — трибромотриоксаазатриангулен (TBTANG) и трибромотриоксоазатриангулен (TBTANGO). Молекулы этих веществ имеют треугольную форму с атомом азота в центре и тремя ароматическими кольцами по бокам. У TBTANG кольца соединяются атомами кислорода, а у TBTANGO — атомами углерода, связанными с кислородом. Еще до синтеза ученые предсказали, используя метод функционала плотности, что двумерные материалы из этих молекул будут полупроводниками с шириной запрещенной зоны соответственно 1,8 и 2,4 электронвольт.

Чтобы синтезировать 2DCP с помощью реакции Ульмана, физики поместили исходные мономеры на предварительно нагретую до 210 градусов Цельсия золотую подложку. При такой температуре атомы галогенов отщеплялись от молекул мономеров, индуцируя полимеризацию. После окончания процесса авторы исследовали получившийся двумерный материал с помощью сканирующей туннельной микроскопии, метода дифракции медленных электронов и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Оказалось, что размер доменов нового сопряженного полимера составляет более 100×100 нанометров — в пять раз больше предыдущего рекорда. Также выяснилось, что ширина запрещенной зоны у обоих полимеров соответствует предсказанной величине. Это значит, что созданные исследователями материалы действительно обладают полупроводниковыми свойствами и могут найти применение в электронике и фотонике.

Первое обнаружение конусов Дирака в графене подстегнуло сильный научный интерес. Например, не так давно физики предложили несколько трехмерных аналогов графена, которые также могут иметь конусы Дирака. Авторы показали, что такие материалы следует искать среди топологических изоляторов или фаз Вейля.

Никита Шевцев