КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-12-00399

НазваниеХимически индуцированный фазовый переход в низкоразмерных структурах

РуководительСорокин Павел Борисович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", г Москва

Годы выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2023 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-203 - Поверхность и тонкие пленки

Ключевые словаграфен, диаман, алмазная плёнка, фазовый переход, CVD, LPE, DFT

Код ГРНТИ29.19.22


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Контролируемое изменение структуры наноматериалов на атомном уровне является важнейшей задачей современного материаловедения. Влияние поверхности выражается в необходимости учёта размера наноструктур при описании их стабильности. Особенно отчётливо данная проблема проявляется при исследовании фазовой трансформации наноматериалов, когда их энергия начинает зависеть не только от внешних условий, но и от вклада поверхностных эффектов. Например, классическая фазовая диаграмма Банди углерода меняется при уменьшении толщины углеродной плёнки, давление фазового перехода графит-алмаз увеличивается, что отражает увеличение нестабильности алмаза при уменьшении его размера. При достижении атомарной толщины алмазные плёнки должны демонстрировать ряд крайне привлекательных физических свойств, однако их синтез требует принципиально иных подходов. Естественным для сегодняшней науки кажутся два пути синтеза наноматериала: способы «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Способ «сверху-вниз», когда макроскопический материал разделяется до необходимой наноструктуры, не рассматривался, поскольку, вероятно, является невозможным получение алмазных плёнок нанометровой толщины путём разделения кристалла алмаза. Способ «снизу-вверх» (необходимая наноструктура синтезируется из наноструктур меньших размеров), кажется, для данного случая наиболее привлекательным, хотя и, безусловно, требует преодоления ряда нетривиальных научных проблем. Традиционный метод химического осаждения из газовой фазы неприменим для решения задачи получения алмазов атомарной толщины из-за высокой скорости роста алмазных слоёв и их неоднородности на атомном уровне. Поэтому в данной работе будет рассмотрен другой вариант получения алмазных плёнок, когда исходным материалом является не пар, а двухслойная графеновая плёнка. Образование алмазных пленок происходит путём контролируемой химической реакции двух графеновых листов со сторонними атомами – главным образом водородом или фтором. Такой способ будет опробован нами экспериментально, а теоретически мы детально изучим механизм трансформации графеновых слоёв не только в случае бислойного графена, но также и других структур на основе слабо связанных слоёв – двухслойных углеродных нанотрубок и родственных наноматериалов.

Ожидаемые результаты
В рамках выполнения проекта планируется провести уникальное комплексное теоретико-экспериментальное исследование формирования алмазных плёнок, состоящих из двух атомных слоёв. В эксперименте будут отработаны режимы роста и упорядоченного формирования биграфеновой плёнки, которая затем будет обработана водородом и фтором, для формирования алмазной плёнки. Также будет получена информация о том, как давление способствует формированию алмаза в многослойном графене с числом слоёв больше двух. Полученные плёнки будут охарактеризованы с использованием широкого набора методов для получения информации о их структуре и составе. Будут изготовлены тестовые транзисторные структуры на основе полученных алмазных плёнок и измерены их характеристики. В теоретической части проекта будет подробно описан процесс образования алмаза с учётом дефектности исходной структуры, взаимного расположения графеновых слоёв и наличия механического напряжения в структуре при адсорбции на поверхность графена водорода или фтора. Будет рассмотрен случай фазового перехода в алмазную плёнку на металлической подложке. Будет изучена стабильность алмазной плёнки в зависимости от плотности её покрытия атомами водорода или фтора. Будут также оценены свойства перехода металл-полупроводник в структурах графеновая плёнка-алмазная плёнка в зависимости от размера алмазной области, типа функционализации поверхности. Будет получен электронный спектр и диаграмма энергетических зон таких структур. Эффект химически индуцированного перехода будет также изучен на примере других наноструктур. Так, будет получена информация о возможности нуклеации алмаза в двухслойных углеродных нанотрубках в зависимости от их кривизны и хиральности, а также соединение слоёв h-BN. Успешное выполнение проекта приведёт к получению и исследованию принципиально новой наноструктуры - впервые в мире будет получен самый тонкий алмаз в свободном состоянии. Значимость получения такой наноструктуры сложно переоценить, её потенциальное применение обширно, начиная с электроники и оптики, а заканчивая трибологией и композитными материалами. Закрепление приоритета получения этого нового материала в России позволит в дальнейшем оформить патент на способ его получения с организацией и проведения НИОКР.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе первого года проекта были получены экспериментальные результаты, подтверждающие предсказанную возможность формирования алмазной плёнки путём осаждения водорода на поверхность биграфена. С другой стороны, проведённые теоретические исследования расширили понимание процессов формирования двумерного алмаза. Отработаны режимы формирования слоёв графена, а также методы переноса и осаждения графена на подложку для формирования биграфеновой плёнки. Проведено исследование степени разориентации полученных графеновых слоёв для выявления последовательности укладки атомов графена в двух слоях, проведена систематизация выявленных упаковок для последующей обработки. Отработаны режимы обработки бислойного графена, перенесённого на Si3N4 мембрану, в ростовой камере водородом при разных температурах. Изучена контролируемое локальное восстановления плёнки оксида графена путём электронно-лучевого облучения. Исследовано формирование биграфена и его функционализация и модификация водородом. Изучена структура и состав полученных наноматериалов и пленок на основе одно и двухслойного графена с разной степенью функционализации и модификации. Показано образование алмазной фазы после модификации двухслойного графена водородом. Теоретически изучена стабильность алмазных плёнок при различной концентрации атомов водорода на их поверхности. Показана наибольшая равномерная плотность покрытия поверхности, при которой может вообще не образоваться соединение между слоями. Продемонстрировано, что межслоевые связи сохраняются только между атомами углерода, у которых по крайней мере два соседа соединены с водородом. Проведено моделирование процессов нуклеации биграфена и рассмотрено влияние на этот процесс точечных (вакансий и дефекта Стоун-Уэйлса) и одномерных (граница раздела) дефектов. Установлено что точечные дефекты снижают энергетический барьер гидрирования биграфена, однако безбарьерным этот переход все еще не является. Энергия связывания водорода атомами на границе раздела в биграфене незначительно выше аналогичной величины для идеальных структур. Кроме систем с дефектами была рассмотрен так же случай алмазообразования на краях идеального биграфена. Было установлено, что геометрически осаждение водорода идет по линии края и связывание с последующими атомами, находящимися ближе к центру структуры становится менее выгодным, однако из всех рассмотренных случаев, алмазообразование на краю биграфена представляется наиболее энергетически выгодным. Начало нуклеации алмазной фазы в структуре биграфена на подложке платины было изучено при адсорбции на поверхность биграфена атомов водорода. Были рассчитаны структуры с упаковкой слоёв AB и AA’ и расположением водорода на поверхности “chair” и “boat”. Была рассчитана энергия таких структур, и было показано, что с увеличением кластера водорода в случае упаковки AA’ вообще не происходит нуклеации алмаза, тогда как для AB упаковки необходимо преодолеть барьер нуклеации для формирования алмаза. Для случая биграфена без подложки барьера нет, таким образом, было показано, что подложка платины не облегчает нуклеацию алмаза.

 

Публикации

1. Сорокин П.Б., Якобсон Б.И. Two-Dimensional Diamond—Diamane: Current State and Further Prospects Nano Letters, 21, 13, 5475-5484 (год публикации - 2021).