Ультратонкое покрытие защищает от коррозии двухмерные материалы, используемые в оптике и электронике.
На изображении показан вид сбоку молекулярной структуры нового покрытия. Тонкий наносимый слоистый материал обозначен фиолетовым цветом внизу, а окружающий воздух представлен в виде разрозненных молекул кислорода и воды сверху. Темный слой посередине — это защитный материал, пропускающий некоторое количество кислорода (красный), в результате чего внизу образуется оксидный слой, обеспечивающий дополнительную защиту.
Множество двухмерных материалов, обладающих многообещающими качествами для применения в оптике, электронике и оптоэлектронике, отходят на второй план из-за того, что слишком быстро теряют свои свойства под воздействием кислорода или водяного пара. Разработанные на данный момент защитные покрытия оказались дорогостоящими и токсичными, к тому же, их невозможно удалить.
Сейчас команда исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) и других организаций создала ультратонкое покрытие — недорогое, простое в нанесении и удаляемое с помощью определенных кислот.
"Новое покрытие может открыть массу возможностей для потенциального применения таких двухмерных материалов, — говорят ученые. Их открытия были опубликованы в журнале PNAS, в работе выпускника Массачусетского технологического института Конга Су; профессора Джу Ли, Джина Конга, Мирсеи Винка и Джуйюна Ху; а также 13 других специалистов из MIT, Австралии, Китая, Дании, Японии и Великобритании.
"Исследование двухмерных материалов, образующих тонкие слои толщиной всего в один или несколько атомов — это "весьма активно изучаемая область", — говорит Ли. Благодаря своим необычным электронным и оптическим свойствам, такие материалы обладают большим потенциалом, например, для применения в высокочувствительных фотодетекторах. Однако многие из них, включая черный фосфор и целую категорию материалов, известных как дихалькогениды переходных металлов, корродируют под воздействием влажного воздуха или различных химических веществ. Многие из них теряются свои качества всего за несколько часов, что исключает их практическое применение.
"Это ключевой вопрос" при разработке подобных материалов, — говорит Ли. "Если невозможно стабилизировать их в воздушной среде, возможность их обработки и эффективного использования крайне ограничена". Одной из причин, почему кремний стал настолько широко применяемым материалов в электронных устройствах, является то, что он естественным образом формирует защитный слой из диоксида кремния на поверхности под воздействием воздуха, препятствуя дальнейшему ухудшению свойств поверхности. Но ситуация с материалами толщиной в несколько атомов, которые могут казаться даже тоньше защитного слоя из диоксида кремния, гораздо сложнее.
Предпринимались попытки покрывать различные двухмерные материалы защитным барьерным слоем, но пока что все они обладали существенными ограничениями. Большинство покрытий гораздо толще самих двухмерных материалов. К тому же, они очень хрупкие, подвержены образованию трещин, которые пропускают жидкость или пар, вызывающие коррозию, а многие из них также весьма токсичны, что создает проблемы с обращением и утилизацией.
Новое покрытие на основе соединений, известных как линейные алкиламины, свободно от данных ограничений, — говорят исследователи. Материал можно наносить ультратонкими слоями толщиной всего 1 нанометр (одна миллиардная метра), а последующий нагрев материала после нанесения устраняет мельчайшие трещины и образует сплошной барьерный слой. Покрытие не только непроницаемо для большинства жидкостей и растворителей, но также эффективно препятствует проникновению кислорода. При необходимости его можно удалить с помощью определенных органических кислот.
По словам Ли, "это уникальный подход" к защите сверхтонких листовых материалов, при котором образуется дополнительный слой толщиной всего в одну молекулу, известный как мономолекулярный слой, обеспечивающий превосходную и долговечную защиту. "Это увеличивает срок службы материала в 100 раз", — объясняет он. При этом, возможность обработки и использования таких материалов продлевается с нескольких часов до нескольких месяцев. А состав покрытия "очень дешевый и простой в нанесении", — добавляет он.
Чтобы подтвердить свою концепцию, помимо теоретического моделирования молекулярного поведения данных покрытий, команда сделала рабочий фотодетектор из чешуек материала на основе дихалькогенидов переходных металлов, защищенный новым покрытием. Материал покрытия гидрофобный, т.е. эффективно отталкивающий воду, которая иначе просочилась бы в покрытие и растворилась в защитном оксидном слое, сформировавшемся естественным образом, что привело бы к стремительной коррозии.
Нанесение данного покрытия — это очень простой процесс, — поясняет Су. Двухмерный материал просто помещают в ванну с жидким гексиламином (форма линейного алкиламина), а примерно через 20 минут при температуре 130°С и нормальном давлении образуется защитное покрытие. Затем для получения гладкой поверхности без трещин материал погружают еще на 20 минут в пары того же гексиламина.
"Пластину просто помещают в жидкий химический состав и нагревают", — говорит Су. "Вот, собственно, и все". Покрытие "достаточно стойкое, но его можно удалить определенными органическими кислотами".
Использование такого покрытия может открыть новые области для исследований перспективных двухмерных материалов, включая дихалькогениды переходных металлов и черный фосфор, а в потенциале также и силицен, станин и другие подобные материалы. Поскольку черный фосфор — самый ценный и легко разрушающийся из этих материалов, его команда и использовала для проверки своего подхода.
Новое покрытие позволяет преодолеть "первое препятствие на пути к использованию этих замечательных двухмерных материалов", — говорит Су. "Строго говоря, нужно сначала справиться с ухудшением свойств материалов при обработке, а уж потом переходить к использованию", а этот этап еще не пройден.
В команду вошли исследователи с отделений ядерной физики и техники, химии, материаловедения и технологии материалов, электротехники и информатики Массачусетского технологического института и из Исследовательской лаборатории в области электроники, а также из Австралийского национального университета, Университета китайской академии наук, Орхусский университета в Дании и Университета Шиншу в Японии. Работа выполнена при поддержке Центра изучения экситонов и Центра передовых исследований в области энергетики, основанных Министерством энергетики США, а также Национального фонда науки, Китайской академии наук, Королевского общества, Управления научно-исследовательской работы сухопутных войск США, Института военных нанотехнологий при Массачусетском технологическом институте и Университета Тохоку.
