Поиски новых материалов с необычными свойствами — это главная цель материаловедов, ведь именно от них зависит технологический прогресс. Одно из самых интересных направлений сегодня — это двумерные материалы. Они тоньше тонкого, всего в несколько атомов, и могут стать основой для электроники следующего поколения. Ученые из Университета Мэриленда в округе Балтимор разработали метод, который позволяет предсказать, какие именно двумерные материалы обладают самым большим потенциалом. Их исследование опубликовали в журнале Chemistry of Materials.

Представьте себе лист бумаги, но невероятно тонкий, всего в несколько атомов. Вот что такое двумерные материалы. Казалось бы, они должны быть хрупкими, но на деле они могут быть невероятно прочными или проводить ток уникальным способом. Их удерживают вместе слабые связи — ван-дер-ваальсовы силы. Благодаря им материал может слегка деформироваться под нагрузкой, не ломаясь. А если сложить такие слои в стопку, они могут слегка сдвигаться друг относительно друга, что еще больше снижает хрупкость.

Команда под руководством аспиранта Пэн Яна и доцента Джозефа Беннетта сосредоточилась на особом классе таких материалов — фосфохалькогенидах. Некоторые из них сегнетоэлектрики: они могут удерживать электрический заряд в определенном направлении, а потом менять его по команде. Как крошечные перезаряжаемые батарейки. Некоторые еще и магнитятся. Такое сочетание свойств делает их идеальными кандидатами для создания продвинутой электроники: элементов памяти, датчиков.

Нам известно всего два таких двумерных сегнетоэлектрических материала, — говорит Джозеф Беннетт. — И мы спросили себя: где могут прятаться другие?

Новая статья — это и есть ответ на их вопрос.

Исследователи использовали целый набор методов: анализ больших данных, компьютерное моделирование и структурный анализ, потому что только материалы с определенной формой подходят для электроники.

Мы разработали набор химических правил, чтобы предсказывать такие материалы, что может значительно ускорить открытие новых функциональных веществ, — поясняет Пэн Янь, первый автор работы.

Студент Джошуа Байрензвиг написал скрипт на Python, который помог отсортировать потенциальные материалы по их свойствам и ускорил работу команды.

Ученые начали с изучения Базы данных неорганических кристаллических структур — огромной коллекции известных кристаллов. Затем они использовали квантовые структурные диаграммы — особые карты, на которые наносят материалы в соответствии с их атомными свойствами. Это помогло найти области на диаграмме, где могли скрываться перспективные новые материалы.

Анализируя базовые параметры, вроде разницы в электроотрицательности и атомных радиусах, мы смогли отделить материалы с нужными нам свойствами от тех, что их не имеют, — объясняет Беннетт.

Электроотрицательность показывает, как сильно атом притягивает электроны, а атомный радиус — это расстояние от центра атома до внешнего края его электронного облака.

Эти квантовые диаграммы работают как карта сокровищ, — говорит ученый. — Они ведут нас в те области химического пространства, где, вероятно, существуют новые стабильные двумерные материалы.

В результате они нашли 83 потенциальных новых материала, которые можно создать и использовать в tech-индустрии. Это невероятно увеличивает число известных сегнетоэлектриков.

Но на этом работа не закончилась. Исследователи из UMBC сотрудничали с коллегами из Университета Мэриленда в Колледж-Парке. Те синтезировали и проверили в лаборатории некоторые из предсказанных материалов. Их работа доказала, что предсказания UMBC действительно работают и могут направлять эксперименты.

Возможность предсказать, какие составы сформируют стабильные функциональные материалы, дает нам огромную фору в лаборатории, — говорит Беннетт. — Это как иметь книгу рецептов для материалов, которые еще никто не готовил. Это экономит время и ресурсы.

Эти новые материалы могут найти массу применений и серьезно продвинуть электронику. Например, с их помощью можно создать:

• Энергонезависимую память: устройства, которые хранят данные даже после выключения питания.
• Сверхчувствительные сенсоры: которые могут улавливать ничтожно малые количества веществ.
• Компоненты с низким энергопотреблением: которые позволят вашему смартфону работать дольше от одного заряда.

Спрос на такие технологии огромен как в индустрии, так и у правительства США — именно грант от Агентства по снижению военной угрозы (DTRA) профинансировал эту работу.

Я в восторге, потому что наша работа демонстрирует успешный подход, основанный на данных, к открытию новых 2D-материалов с перспективными свойствами. Это может ускорить разработку материалов для электроники следующего поколения, — делится Пэн Янь.

Дальше команда планирует использовать сложное компьютерное моделирование (высокопроизводительное моделирование по теории функционала плотности), чтобы глубже изучить эти 83 материала, проверить их сегнетоэлектрические свойства и «производительность». Они продолжат сотрудничество с коллегами из UMD, чтобы синтезировать материалы в лаборатории, подтвердить их уникальные свойства и адаптировать их для конкретных задач.

Это исследование — большой шаг вперед, который прокладывает путь материалам, способным изменить то, как инженеры создают электронику: от военных сенсоров до ноутбуков и планшетов с долгим временем работы для студентов.

Реальная польза этого исследования — в радикальном ускорении и удешевлении процесса открытия новых материалов. Классический метод «проб и ошибок» в лаборатории требует огромных временных и финансовых затрат. Данный же подход, основанный на предсказании, позволяет сфокусировать усилия на самых перспективных кандидатах. В среднесрочной перспективе это может привести к прорывам в создании энергоэффективных процессоров, компактных датчиков для меддиагностики или экологически чистой энергетики. Это как иметь фильтр, который отсеивает пустую породу, оставляя только крупицы золота, что делает всю добычу гораздо более эффективной.

Основное замечание касается перехода от компьютерной модели к реальному, массовому производству. Исследование успешно предсказало несколько материалов, которые можно синтезировать в лабораторных условиях. Однако в статье не уделяется внимание тому, насколько масштабируем и экономически целесообразен будет процесс их синтеза в промышленных объемах. Некоторые материалы могут требовать экзотических или дорогих компонентов, сверхвысоких давлений или температур, что сделает их коммерческое применение нерентабельным. Таким образом, пройден важный, но все же первый этап длинного пути от виртуального предсказания до товара на полке.

Ранее мы разбирались в молекулярной электронике.