Описаны структура и свойства новых графеноподобных полимеров

Ученые описали структурные и физические свойства группы двумерных соединений на основе циркуленов – полициклических молекул. Возможность направленного дизайна материалов с заданными свойствами на основе таких молекул открывает перспективы для применения соединений в наноэлектронике. Результаты работы опубликованы в Journal of Physical Chemistry C.

Циркулены – органические молекулы, состоящие из нескольких углеводородных циклов, соединенных между собой в форме цветка. Их высокая устойчивость, симметричность и оптические свойства вызвали особый интерес со стороны специалистов в области наноэлектроники, поскольку они могут быть использованы при построении элементов солнечных батарей и органических светодиодов.

Тетраокса[8]циркулен – наиболее устойчивая разновидность циркуленов. Данные молекулы давно синтезированы и уже достаточно хорошо изучены. Путем их полимеризации потенциально возможно создать графеноподобные ленты и листы. В своей работе ученые СФУ представили результаты компьютерного моделирования, доказывающие это предположение, а также описали возможную структуру и свойства таких соединений.

«Имея один строительный блок в виде молекулы тетраокса[8]циркулена и варьируя параметры синтеза, можно создать материал, схожий по свойствам с традиционным для электроники кремнием, полупроводником, или графеном – полуметаллом, — комментирует один из авторов работы, сотрудник Сибирского федерального университета Артем Куклин. — Предложенные материалы обладают некоторыми преимуществами. В частности, по сравнению с кремнием в них выше подвижность носителей зарядов, следовательно, можно ожидать более эффективную проводимость электрического тока».

Рассчитав равновесные геометрии возможных наноматериалов и проверив их термодинамическую устойчивость, ученые обнаружили несколько стабильных полимеров на основе тетраокса[8]циркулена – отличие состояло в соединении молекул-мономеров между собой. В зависимости от того, каким способом эти молекулы соединены в двумерный лист, материалы могут проявлять различные свойства.

Согласно расчетам, предложенные полимеры демонстрируют высокую подвижность носителей заряда. Это свойство ученые оценивали по ширине запрещенной зоны – энергетического параметра, связанного с разделением свободных и заполненных электронами состояний, а также по форме энергетических зон, образуемых этими состояниями вблизи запрещенной зоны. Оценка механических характеристик, в частности констант упругости, показала, что новый материал в 1,5-3 раза более эластичен, чем графен. Авторы также отмечают наличие выраженных топологических состояний в одном из полимеров, вызываемых спин-орбитальным взаимодействием, что нехарактерно для материалов на основе легких элементов. Материалы с такими свойствами являются изоляторами внутри, но могут проводить ток по поверхности. В случае двумерных материалов в качестве поверхности выступают края этого материала.

«Предложенные наноструктуры имеют хорошие характеристики и могут найти применение в самых разных областях – от производства ионных сит до элементов наноэлектроники. В качестве развития тематики мы планируем модифицировать наши соединения атомами металлов и исследовать их магнитные и каталитические возможности. Также хотелось бы найти коллег-экспериментаторов, которые могли бы синтезировать предложенные материалы», – заключает Артем Куклин.

Работа выполнена совместно с сотрудниками Кенбукского национального университета (Южная Корея), Королевского технологического института в Стокгольме (Швеция), Черкасского национального университета имени Богдана Хмельницкого (Украина) и Уппсальского университета (Швеция).

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.