Исследователи из Университета Миннесоты придумали, как создавать и управлять крошечными «несовершенствами» внутри сверхтонких материалов. Обычно инженеры стараются избавиться от любых дефектов в кристаллической решетке — они считаются браком. А тут ученые нарочно их делают и даже подчиняют себе. Эти внутренние особенности, которые называют „протяженными дефектами“, способны наделить новейшие наноматериалы совсем необычными свойствами.

Подробности опубликованы в издании Nature Communications.

Сотрудники лаборатории Мхояна вырастили тончайшую пленку на специальной подложке с нанесенным рисунком. В тех местах, где рисунок был, плотность дефектов оказалась в тысячу раз выше, чем на гладких участках. Это не просто трещинки или пузырьки — дефекты пронизывают весь материал насквозь, но при этом занимают ничтожно малый объем. Автор работы, профессор Андре Мхоян, объясняет:

Можно аккуратно управлять этими микроскопическими особенностями и одновременно пользоваться свойствами и самого дефекта, и окружающего его материала.

Теперь инженеры в состоянии сделать пленку, где соседние участки будут различаться по типу и плотности дефектов в сотни раз. Где-то почти идеальная структура, а где-то — густая сеть несовершенств, которая полностью меняет поведение материала.

Это открывает дорогу к устройствам с характеристиками, которых раньше не существовало.

Младший научный сотрудник Суприя Гош (она первая автор публикации) рассказывает:

Мы придумали по-новому конструировать материалы — сначала наносим на подложку рисунок, который провоцирует дефекты, а уже потом выращиваем на этой подложке тонкую пленку.

Эксперименты ставили с перовскитными оксидами — классом веществ, который любят за их необычную электронику и магнетизм. Но авторы уверяют, что метод сработает и с другими типами тонких пленок. В перспективе такие дефекты можно будет использовать в чипах, датчиках и прочей электронике.

Вы можете спросить: сколько стоит вся эта технология? Пока речь идет о лабораторных образцах, и метод довольно дорогой — нужно чистое оборудование для нанесения рисунка на подложку и выращивания пленок в вакууме. Но авторы использовали стандартные литографические приемы, которые уже давно применяют в производстве микросхем. Это не космическая цена. Так что, когда технология дозреет, заводское внедрение не потребует сверхзатрат.

Что было до этого исследования

Ученые давно знали, что дефекты в кристаллах влияют на свойства материалов. Но управлять их расположением и плотностью на такой малой площади никто толком не умел. Раньше дефекты возникали случайно — то там, то сям. Здесь же впервые получили плотность дефектов выше фоновой в тысячу раз и контролируемо разместили их в заданных зонах.

Насколько это этично и не принесет ли вреда

Прямой угрозы людям или природе нет — исследование фундаментальное, работает с безвредными оксидами, никакой токсичности или рисков для биосферы не создает. Единственное, о чем стоит подумать: если в будущем такие дефектные материалы пойдут в массовую электронику, то нужно убедиться, что они не разлагаются со временем с выделением вредных веществ. Но авторы об этом молчат — это вопрос к прикладным разработкам.

Когда обычный человек сможет потрогать новинку руками

Очень нескоро. Сейчас технология на стадии лабораторных опытов. До реального чипа в смартфоне — лет десять, не меньше. Сначала надо проверить стабильность дефектов, научиться делать их воспроизводимо, потом встроить в опытные образцы. В лучшем случае через пять лет появятся экспериментальные датчики или элементы памяти для военных или космических заказов. Массовый потребитель увидит результат не раньше середины 2030-х.

Сравнение с аналогами

Есть другие способы создавать дефекты — например, бомбардировка ионами или механическая деформация. Но они дают хаотичный набор дефектов разного типа и размера. А тут рисунок на подложке позволяет заранее знать, где именно будут несовершенства. Аналогом можно считать метод эпитаксии через маску, но раньше маски использовали для контроля состава, а не для создания дефектов как полезного элемента. В этом главное отличие — дефект здесь не побочный эффект, а запланированная «деталь».

Немного критики

Главный подвох в том, что авторы показали лишь сам факт — получили высокую плотность дефектов. Но они почти ничего не рассказали о том, какие именно свойства меняются и насколько это полезно. В статье много про «потенциал» и „открывает возможности“, но мало цифр по электрической проводимости, механической прочности или оптике этих дефектных областей. Пока непонятно, дает ли тысячекратное увеличение дефектов что-то реально ценное или это просто красивая микрофотография. Плюс метод пока работает только на очень тонких пленках — толще ста нанометров дефекты уже не прошивают насквозь. А для многих практических применений нужны более массивные слои.

Ранее ученые заметили, что графен даже с дефектами остается самым прочным материалом.