В Красноярске открыт новый двумерный материал из семейства валлериита

Ученые из Красноярска создали новый материал, состоящий из слоев сульфида меди, гидроксида магния и алюминия. В отличие от других подобных материалов, в нем нет железа.

Это соединение может преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Его можно использовать в аналогах солнечных батарей для инфракрасного диапазона или в термоэлектрических генераторах.

Двумерные материалы становятся все более популярными благодаря своим свойствам. Ученые надеются, что они помогут создать новые устройства в области электроники, спинтроники, источники тока, катализаторы и многое другое. Но пока таких материалов не так много.

Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, опубликованы в журнале Nanoscale.

Ученые из Красноярска впервые создали новый материал, который состоит из слоев сульфида меди, а также гидроксидов магния и алюминия. На это открытие их вдохновило изучение минералов группы валлериита. Ранее этот материал не встречался ни в природе, ни как синтетический продукт.

Мы ранее разработали методы создания слоистых материалов, похожих на природные минералы валлериит и точилинит. В валлериите есть слои с железом и медью, а в точилините — только с железом.

Мы решили попробовать создать материал без железа, что-то вроде «медного точилинита». Такой минерал не существует в природе, вероятно, из-за того, что железо очень распространено в земной коре, — рассказал кандидат химических наук научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Роман Борисов. 

Первые опыты показали, что для создания такого материала нужно добавить алюминий в состав гидроксидного слоя вместе с магнием.

Мы улучшили условия и смогли создать новую, ранее неизвестную фазу вещества. Это вещество состоит из слоев сульфида меди и двойного слоистого гидроксида магния и алюминия, которые чередуются между собой.

Мы ожидаем, что новое вещество будет очень устойчиво к химическим воздействиям и может найти применение в электронике и фотокатализе, — объяснил ученый.

Исследователи разработали новый материал с помощью простого метода гидротермального автоклавного синтеза. Они использовали высокую температуру и давление, чтобы контролировать состав слоев материала и влиять на их свойства, такие как электронные и оптические характеристики.

В процессе синтеза слои «собираются» сами за счет притяжения противоположно заряженных слоев сульфида и гидроксида.

Структура нового материала похожа на минерал халькозин, поэтому разработанный кристалл можно считать его синтетическим аналогом с улучшенными свойствами.

Мы работали с синтетическими и природными валлериитами — это вещества со слоистой структурой. Слои состоят из атомов, связанных между собой электрическими силами.

Мы предположили, что новое вещество будет похоже на валлериит по строению. В нем будет такой же гидроксидный слой, как в валлериите, а мы сосредоточились на том, чтобы понять, как устроены другие слои — сульфидные, — отметил соавтор работы Денис Карпов, аспирант ИЦМ СФУ, младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.

Ученым было непросто разобраться в этой структуре. Они выяснили, что слои в новой фазе расположены хаотично, как в синтетических валлериитах. Из-за этого сложно понять, как устроена структура. Поэтому исследователи обратили внимание на другие фазы, которые могли бы стать образцами для слоев сульфида.

После долгой работы в итоге выбрали определенный материал — гексагональный халькозин. Затем мы «отрезали» лишние атомы, чтобы получились отдельные слои.

Потом мы использовали компьютер для моделирования структуры, в которой эти слои чередуются с другими. Мы увидели, что наша модель хорошо совпадает с экспериментом даже без дополнительных изменений.

Когда мы рассмотрели под микроскопом частичку синтезированного материала, то увидели эти самые чередующиеся слои. Это окончательно убедило нас в правильности нашей модели, — пояснил процесс определения структуры Денис Карпов.

Ученые обнаружили новые кристаллы, которые выглядят как слоеный пирог. В них чередуются плоские слои разных веществ: сульфида меди, а также гидроксидов магния и алюминия. Частицы этих кристаллов похожи на хлопья. Они очень маленькие — от 0,5 до 2 нанометров в ширину и от 20 до 40 нанометров толщиной.

Ученые выяснили, что эти кристаллы могут превращать тепловую энергию в электрическую и наоборот. Также они хорошо проводят электричество. Такие кристаллы можно использовать в устройствах, которые работают на основе разницы температур. Например, в генераторах, солнечных батареях или охладителях.

Поскольку мы получили данный материал первыми, то и его свойства относятся к области неизведанного, — подчеркнул Максим Лихацкий, руководитель проекта, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.

При этом мы хорошо изучили свойства объемных фаз — исходных материалов для создания двумерных слоев.

Мы создали новый материал, состоящий из чередующихся слоев, похожих на тонкие срезы минерала меди — халькозина. Также в состав входят 2D-листы двойного слоистого гидроксида магния и алюминия.

Если взять большой кусок обычного гидроксида магния, измерить его электрическое сопротивление, оно будет очень большим — этот материал не проводит ток. 

Ученый рассказал, что халькозин обладает высокой электропроводностью. Некоторые природные образцы этого минерала могут сравниться с металлами по этому свойству.

Электрические свойства материала зависят от его электронного строения. Измерения показали, что новый материал проводит электричество в сотни раз лучше, чем валлериит.

Выяснилось, что новый материал отличается от валлериита. Валериит — это полупроводник, в котором электричество проводят электроны. А наш новый материал проводит электричество по-другому: у него ток проводят «дырки» — места, где отсутствуют электроны.

Мы предположили, что этот материал с особой слоистой структурой может создавать электричество, если один его конец нагреть, а другой охладить. Это явление называется термоэлектрическим эффектом и позволяет получать электричество без движущихся частей.

Чем лучше работает термоэлектрик, тем выше его способность проводить электричество и тем меньше он проводит тепло. Наш новый материал как раз обладает такими свойствами, и эксперименты это подтвердили, — заключил Максим Лихацкий.

Ученые обнаружили свойства нового материала, которые позволяют преобразовывать тепло в электричество и охлаждать электронные компоненты. Это значит, что такой материал может быть полезен в разных областях. Теперь ученые смогут создавать новые материалы и настраивать их характеристики.

12.12.2024