Открыт новый полупроводник на основе углеводорода с «гиперкубическими» молекулами
Исследователи Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике (ИНТЭЛ) НИЯУ МИФИ смоделировали и рассчитали свойства трехмерных кристаллов из молекул «гиперкубана»- углеводорода с молекулами т.н гиперкубической формы. Выяснилось, что некоторые кристаллы гиперкубана являются полупроводниками, которые в будущем могут быть использованы в электронике и оптике.
Куб – одна из самых простых и «естественных» геометрических фигур. Однако в мире углеводородных молекул, которые принимают самые причудливые формы, куб является экзотикой.
Молекула кубана C8H8, имеющая кубическую форму, была синтезирована в 1964 году путем сложной многоступенчатой реакции. Кубан оказался сверхплотным углеводородом, почти вдвое плотнее бензина.
Несмотря на сложность синтеза, это соединение не только продемонстрировало высокую устойчивость, но и стало родоначальником целого семейства производных молекул, которые нашли применения в качестве энергоэффективных топлив и лекарств.
Вдохновляясь успехом кубана и фантастическим сериалом «Кинематографическая вселенная Marvel», химик Фабио Пичиерри в 2014 году предложил еще более сложную углеводородную молекулу – гиперкубан. Она имеет две оболочки, вложенные одна в другую, и напоминает проекцию четырехмерного куба (гиперкуба) на трехмерное пространство видимые трехмерные кубы представляют собой грани гиперкуба.
Исследователи НИЯУ МИФИ начали изучать эту молекулу в 2017 году, рассказал профессор ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ Михаил Маслов.
«Казалось, что молекула такой формы должна моментально рассыпаться. Однако наши расчеты показали, что при комнатной температуре она может прожить около 3 миллионов лет», — отметил он.
В 2020 году китайские ученые исследовали двумерные кристаллы на основе молекулы гиперкубана. Сотрудники НИЯУ МИФИ решили пойти дальше и проверить, не может ли гиперкубан образовывать трехмерные кристаллы. Для этого они построили структурные модели таких кристаллов и решили квантово-механические уравнения, которые описывают поведение их электронов. Результаты превзошли все их ожидания, отметил профессор ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ Константин Катин.
Смотрите также
Физики исследовали магнитные свойства полуметаллов, перспективных для микроэлектроники
Странный материал демонстрирует экзотическое квантовое состояние при комнатной температуре
Исследователи установили, что из-за своей необычной структуры гиперкубан может образовывать аллотропные формы со всеми тремя типами кубических кристаллических решеток: простой кубической, объемно-центрированной и гранецентрированной.
«Первые две формы оказались полупроводниками, а последняя – проводником. Необычное электронные и оптические свойства кристаллических форм, а также их прочность и стабильность делают их полезными материалами для изготовления фотокализаторов и электронных устройств», — рассказал Константин Катин.
Ученые НИЯУ МИФИ продолжают изучать гиперкубан. Следующим шагом станет оценка потенциала использования этого материала в литий-ионных аккумуляторах.
Чем более впечатляющие результаты будут получены в рамках теоретического моделирования, тем сильнее будут стимулы для скорейшего синтеза и производства гиперкубанов, считают авторы исследования.
Результаты работы опубликованы в научном журнале Materials Today Communications.