Подвинься, графен: создан первый ферромагнитный полупроводниковый MXene, способный перевернуть электронику

Группа специалистов из Института материаловедения и инженерии Нинбо (в структуре Китайской академии наук), Чжэцзянского университета и профильных лабораторий объявила о прорыве — синтезе первого в мире лантаноидного двумерного материала семейства MXene («максин»). Обзор этого достижения опубликован на страницах авторитетного научного издания Nature. Если графен представляет собой моноатомный углеродный слой, то максины — это ультратонкие структуры, сформированные из переходных металлов (включая титан, молибден, ванадий и ниобий) в комбинации с углеродом либо азотом.

Ключевое достоинство разработки заключается в том, что экспертам впервые удалось совместить в единой матрице характеристики, которые ранее практически не сочетались в материалах класса MXene: полупроводниковые свойства и ярко выраженный ферромагнетизм.

Традиционные максины базируются преимущественно на ранних переходных металлах — титане, ниобии, ванадии и прочих. Обладая превосходной электропроводностью, они все же не подходят для аппаратуры, где требуется одновременный контроль как электрических, так и магнитных параметров.

Для преодоления этого технологического барьера была создана передовая методика синтеза, получившая название «химические ножницы». Данный подход дает возможность прецизионно преобразовывать кристаллическую решетку на уровне отдельных атомов, избирательно удаляя, замещая или реорганизуя конкретные атомные пласты. Благодаря этому исследователи могут конструировать материал по принципу конструктора, целенаправленно задавая его будущие характеристики.

Технологический процесс разделен на две стадии. На первом этапе редкоземельный металл (лантаноид) вступает в реакцию с галогенидом меди с образованием промежуточного соединительного комплекса. На втором этапе при экстремальных температурах полученное вещество взаимодействует с графитом, формируя уникальную слоистую архитектуру MXene, где чередуются атомы галогенов, углерода и металла.

Лабораторные тесты подтвердили, что инновационная субстанция успешно функционирует как полупроводник и одновременно удерживает стабильные ферромагнитные свойства. Подобный симбиоз долгое время оставался «святым Граалем» современного материаловедения, открывая горизонты для создания принципиально иной компонентной базы.

Наибольшие перспективы ученые связывают с развитием спинтроники — прогрессивной ветви электроники, задействующей не только электрический заряд электрона, но и его спиновый момент. Это позволяет проектировать микросхемы нового поколения, превосходящие традиционную полупроводниковую технику по быстродействию, миниатюрности и энергоэффективности.

По оценкам авторов проекта, разработанный материал найдет применение в высокопроизводительных логических чипах, передовых системах высокочастотной связи, чувствительных магнитных сенсорах, накопителях информации нового типа и даже в архитектуре перспективных квантовых суперкомпьютеров.

Не меньшую ценность представляет и сам метод получения вещества. Физики убеждены, что концепция «химических ножниц» носит универсальный характер и в перспективе послужит фундаментом для целого класса новаторских двумерных материалов с запрограммированным комплексом оптических, магнитных и электрических свойств.

Источник: iXBT