Специалисты Университета ИТМО совместно с коллегами из Харбинского университета, исследовательского института KAUST, Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, Санкт-Петербургского государственного университета и Universite de Lorraine открыли новое семейство металл-органических кристаллов, которые самопроизвольно превращаются из 3D-структур в 2D. Их преимущество — в улучшенных электронных свойствах, тонкости (от 4 нм) и низкой стоимости разработки.
Одна из ключевых проблем разработчиков на сегодняшний день — миниатюризация электронных устройств. Для этого специалисты используют двумерные материалы. Самыми перспективными из них считаются металл-органические каркасы. Это трехмерные структуры, в которых молекулы связаны друг с другом ионами металлов, за счет чего получается довольно прочный материал. Ученые предложили метод преобразования таких структур из 3D в 2D, которые можно легко встроить в существующие устройства наноэлектроники.
Кристаллы создают методами растворной химии и используют в мемристорах и ReRAM-технологии — платформах для записи и хранения информации. Для этого ученые синтезируют объемные кристаллы, нагревая в течение 48 часов раствор 1,2-бипиридилэтилена, 2,6-нафталендикарбоксилата и нитрата цинка. В осадке смеси выпадают 3D-кристаллы, их сушат на воздухе для преобразования в 2D-структуры. На последнем этапе ученые специальной клейкой лентой отделяют слои от получившихся кристаллов — с ними можно работать по отдельности и использовать в устройствах.
«В одном объемном кристалле может быть до десятка отдельных слоев, поэтому после разрушения структуры одного 3D-кристалла мы получаем сразу несколько 2D-кристаллов. До нас подобные работы уже проводились. Однако до этого никто не показывал, что структуры могут разрушаться самопроизвольно — буквально на воздухе. Это значительно упрощает и удешевляет производство подобных кристаллов. Разработанный метод позволяет создавать структуры с необходимыми для использования в производственных масштабах параметрами. Они могут сохранять записанную информацию более двух часов и служат более 100 циклов переключения из состояния с низкой проводимостью в состояние с высокой проводимостью и обратно с соотношением “сигнал — шум” до 1400 единиц», — отметил один из авторов исследования, аспирант, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО Семен Бачинин.
Готовые 2D-кристаллы могут стать основой мемристоров — устройств для записи и хранения информации. Такие структуры более энергоэффективны и энергонезависимы, в них есть возможность адресного обращения к конкретной ячейке памяти, чего не позволяют классические устройства. Также кристаллы могут функционировать по нейроморфным принципам, то есть имитировать работу нейронов головного мозга.
Исследование проводилось при поддержке программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети») и Российского научного фонда. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Science.
