Дело тонкое: создана модель нового двумерного нитрида для фотодетекторов и солнечных батарей

Ученые теоретически предсказали устойчивый к нагреву двумерный материал на основе нитрида цинка и ванадия, который эффективнее некоторых аналогов поглощает ультрафиолет и преобразует его энергию в электрический заряд. Благодаря таким свойствам новое соединение потенциально может стать основой для создания миниатюрных фотодетекторов, солнечных батарей и гибких оптоэлектронных устройств. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в The Journal of Physical Chemistry C.

Сделать элементы современной электроники максимально компактными можно, если заменить традиционные объемные материалы, которые обеспечивают их работу, на двумерные аналоги толщиной всего в один или несколько атомов. Помимо экономии размера двумерные материалы дают и некоторые другие преимущества: в них, по сравнению с объемными формами, электроны — носители заряда — более подвижны. Это позволяет создавать устройства с усовершенствованными характеристиками, например, лучшей способностью преобразовывать энергию света в электричество, что важно для самых разных датчиков и оптоэлектронных устройств.

Однако на сегодняшний день известно мало двумерных материалов, которые можно было бы использовать в электронике. Это связано с тем, что их синтез методом «проб и ошибок» очень трудозатратен и длителен. Поэтому ученые все чаще пытаются найти подобные структуры, используя компьютерное моделирование.

Исследователи из Уфимского университета науки и технологий (Уфа) смоделировали двумерные материалы, состоящие из атомов цинка, ванадия и азота. Авторы опирались на теорию функционала плотности — метод расчета электронной структуры молекул, позволяющий определить условия, в которых смоделированное соединение будет стабильно и действительно может существовать. Кроме того, эта теория позволила предсказать оптические, электронные и механические свойства материалов.

Изначально ученые создали модель нитрида ванадия и цинка, состоящего всего из двух слоев атомов, — двумерный образец. Затем авторы сделали структуру толще, добавив несколько дополнительных слоев — образец тонкой пленки. Все полученные соединения оказались стабильными. При этом наиболее перспективные свойства авторы обнаружили у двумерного образца. Он поглощает ультрафиолет с эффективностью 13%, что превосходит возможности таких двумерных материалов-аналогов, как дихалькогениды переходных металлов. В дальнейшем при улучшении структуры материала эффективность можно будет повысить, и тогда это откроет перспективы для создания на его основе высокочувствительных фотодетекторов. Кроме того, именно в образце из двух слоев атомов электроны оказались наиболее подвижными, что важно для эффективного преобразования света в электричество.

«Также стоит отметить, что электронные свойства смоделированного материала меняются в зависимости от типа подложки, на которую он нанесен. Это позволит использовать его в устройствах стрейнтроники, где управление свойствами материала осуществляется за счет их механической деформации. Такая технология даст возможность создавать сверхкомпактные устройства, например высокочувствительные сенсоры и системы сбора энергии. В дальнейшем мы планируем расширить наши исследования в рамках этого проекта и получить большой объем данных о структуре и функциональных свойствах всего семейства двумерных нитридов металлов. Полученные данные мы планируем использовать для создания общедоступной базы данных, содержащей подробные расчетные параметры и свойства изучаемых двумерных материалов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Кистанов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник УУНиТ.