Примеси брома и йода увеличили отклик гибридного 2D-материала на электромагнитное излучение на 15%

Ученые синтезировали 2D-материалы, состоящие из очень тонкого слоя органического вещества на поверхности неорганического. Добавление примесей брома и йода позволило повысить прочность связи между слоями на 35%, что увеличило стабильность материала. Его отклик на электромагнитное излучение также повысился — на 15%. Предложенная технология может использоваться при разработке материалов для оптоэлектроники и сенсорики. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале FlatChem.

Двумерными (2D) называют материалы, имеющие очень тонкую структуру, которая состоит из одного или нескольких слоев атомов. Они обладают уникальными свойствами — высокой прочностью, электрической проводимостью и оптической активностью, то есть способностью по-разному поглощать свет в зависимости от его длины волны. Это позволяет использовать их в электронике и оптике. 2D-материалы также применяются для создания наноструктур, которые имеют высокую поверхностную активность и могут быть полезны в катализе, сенсорике и других областях. Однако такие материалы имеют некоторые недостатки: они хрупкие и требуют сложной обработки, которая нужна для повышения стабильности материала. Один из наиболее известных 2D-материалов — это дисульфид молибдена, состоящий из молибдена и серы. Соединяя его с другими веществами, например органическими, можно создавать гибридные структуры с каталитическими свойствами.

Ученые из Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН (Москва) и Сколковского института науки и технологий (Москва) с помощью теоретических методов квантовой химии и нейронных сетей исследовали образование слоя органического азотсодержащего вещества, содержащего углеродное кольцо и несколько атомов азота и фтора на поверхности дисульфида молибдена. На основе данных, полученных с помощью квантовой химии, авторы обучили нейронную сеть определять, как взаимодействуют слои органического и неорганического компонентов. Результаты показали, что дефекты на поверхности неорганического материала служат местами, в которые внедряются атомы азота органического слоя и тем самым обеспечивают прочную связь между двумя слоями.

Затем авторы сравнили связь между слоями в двух случаях: в первом органический слой формировали на неорганическом, при этом последний не имел структурных дефектов, а именно пустот в некоторых местах, где должны быть атомы. Во втором случае дисульфид молибдена содержал такие дефекты. Далее исследователи добавили примеси хлора, брома и йода, которые заполнили пустые места в дисульфиде молибдена. Это повысило силу связывания на 35%. Благодаря этому увеличилась прочность материала, его устойчивость к внешним деформациям, а также оптические свойства.

«Контролируя количество примесей в структуре дисульфида молибдена, мы сможем изменять электронные и оптические свойства материалов, используемых в оптоэлектронике. Это позволит создать оптоэлектронные элементы с управляемыми свойствами. В дальнейшем мы планируем исследовать, как меняется локальное упорядочение мономолекулярного органического слоя при внесении примесей, а также под действием деформации и температуры», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Квашнин, доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, заведующий центром Компьютерного моделирования неорганических и композитных наноразмерных материалов Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля.