Согласно исследованию, опубликованному в журнале Advanced Materials, международной команде исследователей во главе с учеными-материаловедами Университета Райса удалось создать настоящий 2D-гибрид путем химической интеграции двух принципиально разных 2D-материалов - графена и кварцевого стекла - в единое стабильное соединение под названием глафен.

"Слои не просто опираются друг на друга - электроны движутся и формируют новые взаимодействия и вибрационные состояния, порождая свойства, которыми сам по себе не обладает ни один материал", - сказал Сатвик Айенгар, докторант Rice и первый автор исследования.

Что еще более важно, объяснил Айенгар, этот метод может быть применен к широкому спектру 2D-материалов, позволяя разрабатывать дизайнерские 2D-гибриды для электроники следующего поколения, фотоники и квантовых устройств.

"Это открывает возможности для объединения совершенно новых классов двумерных материалов - таких как металлы с изоляторами или магниты с полупроводниками - для создания материалов на заказ с нуля", - сказал Айенгар.

Команда разработала двухэтапный метод выращивания глафена с использованием жидкого химического прекурсора, содержащего как кремний, так и углерод. Регулируя уровень кислорода во время нагревания, они сначала вырастили графен, а затем изменили условия, благоприятствующие образованию слоя кремнезема. Для этого потребовалось специальное устройство с высокой температурой и низким давлением, разработанное в течение нескольких месяцев в сотрудничестве с Анчалом Шриваставой, приглашенным профессором из Индуистского университета Банарас в Индии.

"Именно эта установка сделала возможным синтез", - сказал Айенгар. "Полученный материал представляет собой настоящий гибрид с новыми электронными и структурными свойствами".

Как только материал был синтезирован, команда Райса работала над подтверждением его структуры с Маноджем Трипати и Аланом Далтоном из Университета Сассекса. Одним из первых намеков на то, что глафен был чем-то новым, стала аномалия. Когда команда проанализировала материал с помощью рамановской спектроскопии - метода, который определяет, как вибрируют атомы, измеряя тонкие сдвиги в рассеянном лазерном свете, - они обнаружили сигналы, которые не соответствовали ни графену, ни кремнезему. Эти неожиданные особенности вибрации намекали на более глубокое взаимодействие между слоями.

В большинстве наборов 2D-материалов слои просто лежат на своих местах, слабо удерживаясь вместе, как магниты на дверце холодильника. Но в глафене слои соединяются друг с другом посредством гораздо большего, чем так называемые слабые ван-дер-ваальсовы связи, позволяя электронам проходить между ними и приводя к совершенно новому поведению.

Для дальнейшего расследования Айенгар проконсультировался с Маркосом Пиментой, экспертом в области спектроскопии из Бразилии. В конечном счете аномалия оказалась артефактом - важным напоминанием, по словам Айенгара, о том, что даже к воспроизводимым результатам следует относиться с осторожностью.

Чтобы лучше понять, как связанные слои ведут себя на атомном уровне, команда сотрудничала с Винсентом Менье из Университета штата Пенсильвания, чтобы проверить экспериментальные результаты с помощью квантового моделирования. Они подтвердили, что слои графена и кремнезема взаимодействуют и соединяются уникальным образом, частично разделяя электроны на границе раздела. Это гибридное соединение изменяет структуру и поведение материала, превращая металл и изолятор в полупроводник нового типа.

"Это было не то, что могла сделать только одна лаборатория", - сказал Айенгар, который недавно провел год в Японии в качестве члена Японского общества содействия науке (JSPS), а также первого получателя стипендии Quad Fellowship, программы, запущенной правительствами США, Индии, Австралия и Япония окажут поддержку начинающим ученым в изучении того, как наука, политика и дипломатия пересекаются на мировой арене. "Это исследование было межконтинентальной попыткой создать и понять материал, который природа не создает сама по себе".

Пуликель Аджаян, профессор инженерии Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон из Rice и профессор материаловедения и наноинженерии, сказал, что, хотя открытие глафена важно само по себе, что делает исследование по-настоящему захватывающим, так это более широкий метод, который он представляет - новая платформа для химического объединения принципиально разных двумерных материалов.

Исследование отражает руководящий принцип, который, по словам Айенгара, он унаследовал от своего советника.

"С тех пор как я защитил докторскую диссертацию, мой консультант поощрял меня изучать идеи смешивания, которые другие не решаются смешивать", - сказал он, цитируя Аджаяна, который является автором-корреспондентом исследования вместе с Менье. "Профессор Аджаян также сказал, что настоящие инновации происходят на стыках колебаний - и этот проект является доказательством этого".

Исследование было поддержано стипендиальной программой Quad; совместный проект штата Райс и Пенсильвания, финансируемый Управлением научных исследований ВВС (FA9550-23-1-0447 ); Программа стипендий для аспирантов Национального научного фонда (2236422); Фонд развития стратегии Сассекса; Институт науки и технологий Углеродных наноматериалов; Фонд Ампаро по борьбе с песками в штате Минас-Жерайс; и Бразильский национальный совет по научно-техническому развитию. Ответственность за содержание настоящего документа несут исключительно авторы и не обязательно отражают официальную точку зрения финансирующих организаций и учреждений.

Айенгар, Шривастава, Менье и Аджаян выражают заинтересованность в защите интеллектуальной собственности, и в США была подана предварительная заявка на эту технологию.