Jeśli nie grafen, to co?

Istnienie przerwy energetycznej w dwusiarczku molibdenu (MoS2) oznacza, że elektrony nie mogą przyjmować dowolnych energii i przykładając pole elektryczne materiał można przełączać między stanem, w którym przewodzi prąd, a stanem, w którym zachowuje się jak izolator. Wedle obecnych szacunków, wyłączony tranzystor z dwusiarczku molibdenu zużywałby nawet kilkaset tysięcy razy mniej energii niż tranzystor krzemowy. Dla odmiany grafen w ogóle nie ma przerwy energetycznej i zbudowanych z niego tranzystorów nie da się całkowicie wyłączyć. Ciekawe właściwości warstwy dwusiarczku molibdenu zauważyli naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Praca opisująca odkrycie, zrealizowana we współpracy z Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses w Grenoble, ukazała się w czasopiśmie „Applied Physics Letters”. Sporo wskazuje na to, że jednoatomowej grubości warstwy dwusiarczku molibdenu, związku naturalnie występującego w wielu skałach, zdeklasują grafen w zastosowaniach elektronicznych. Jednak fizycy z UW udowadniają, że natura zjawisk zachodzących w materiałach warstwowych wciąż jest słabo poznana i wymaga dalszych badań. - Skomplikowane układy elektroniczne, zbudowane z pojedynczych warstw atomowych, będzie można konstruować dopiero wtedy, gdy dostatecznie dobrze zrozumiemy fizykę zjawisk zachodzących w sieci krystalicznej tych materiałów. Nasze badania pokazują jednak, że nauka ma w tej dziedzinie jeszcze wiele do zrobienia- mówi dr hab. Adam Babiński, prof. UW. Najprostszą metodą wytwarzania grafenu jest eksfoliacja: do kawałka grafitu najpierw przykleja się, a następnie odrywa taśmę klejącą. Wśród drobin, które pozostaną na taśmie, można znaleźć mikroskopijne warstwy grafenu. Kryształ grafitu składa się bowiem z wielu przylegających do siebie warstw grafenowych. O ile atomy węgla w każdej warstwie są powiązane z sąsiadami bardzo silnymi wiązaniami (kowalencyjnymi; im grafen zawdzięcza swą legendarną wytrzymałość), o tyle poszczególne warstwy łączą się już znacznie słabszymi siłami (van der Waalsa). Zwykła taśma klejąca wystarcza, by je przezwyciężyć i oderwać pojedyncze warstwy grafenu od kryształu grafitu. Kilka lat temu zauważono, że tak jak z grafitu otrzymuje się grafen, tak z wielu innych kryształów można uzyskać warstwy grubości pojedynczych atomów. Udało się je wytworzyć m.in. dla chalkogenków metali przejściowych, czyli siarczków, selenków i tellurków. Szczególnie ciekawym materiałem okazały się warstwy dwusiarczku molibdenu (MoS2). Związek ten występuje w naturze jako molibdenit, krystaliczny minerał często przyjmujący postać charakterystycznych sześciokątnych płytek o srebrzystym zabarwieniu. Molibdenit znajduje się w skałach na całym świecie. Od lat stosowano go przy wytwarzaniu smarów i stopów metali. Podobnie jak w przypadku grafitu, własności jednoatomowych warstw MoS2 długo pozostawały niezauważone. Cennych informacji o strukturze krystalicznej i zachodzących w niej zjawiskach dostarcza analiza światła rozproszonego w materiale. Zwykle fotony o określonej energii są pochłaniane przez atomy i cząsteczki materiału, po czym reemitowane z tą samą energią. W widmie światła rozproszonego widać wtedy wyraźny pik odpowiadający tej energii. Okazuje się jednak, że jeden na wiele milionów fotonów może zużyć część swojej energii na przykład na zmianę sposobu drgań lub obrotów cząsteczki. Zdarza się też sytuacja odwrotna: foton odbiera cząsteczce nieco energii, a zatem jego własna energia nieznacznie wzrasta. Podczas rozpraszania tego typu, zwanego ramanowskim, po obu stronach głównego piku widma pojawiają się dwa mniejsze piki. Fizycy z FUW przyjrzeli się znanym dotychczas widmom ramanowskim dwusiarczku molibdenu, przeprowadzili również własne pomiary mikroskopowe w niskiej temperaturze. Zwiększona czułość aparatury i szczegółowa analiza wyników pozwoliły naukowcom zaproponować precyzyjniejszy od dotychczasowego model zjawisk zachodzących w sieci krystalicznej dwusiarczku molibdenu. - W przypadku materiałów warstwowych kształt linii ramanowskich tłumaczono do tej pory zjawiskami związanymi z pewnymi charakterystycznymi drganiami sieci krystalicznej. My wykazaliśmy, że w warstwowym dwusiarczku molibdenu efekty przypisywane tym drganiom muszą w rzeczywistości pochodzić, przynajmniej w części, od innych, dotychczas nieuwzględnianych drgań sieci - wyjaśnia doktorantka Katarzyna Gołasa (FUW). Obecność drgań nowego typu w materiałach warstwowych ma wpływ na zachowanie elektronów. W konsekwencji materiały te muszą wykazywać nieco inne właściwości elektroniczne od dotychczas przewidywanych. - Grafen był pierwszy. Jego unikatowe cechy wzbudzają spore, ciągle rosnące zainteresowanie, zarówno wśród naukowców, jak i ze strony przemysłu. Nie wolno jednak zapominać o innych materiałach warstwowych. Jeśli je dobrze poznamy, w wielu zastosowaniach mogą się okazać lepsze od grafenu - podsumowuje prof. Babiński. --- Źródło: © Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego