Достижения коллектива ученых Уфимского университета науки и технологий, реализованных при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ), открывают перед наукой новые возможности для совершенствования двумерных материалов на основе тройных нитридов. Исследование, проведенное под руководством Андрея Кистанова, кандидата физико-математических наук, принесло оптимистичные перспективы для повышения надежности и эффективности современных технологий.
Двумерные нитриды — будущее солнечной энергетики и водородных технологий
Материалы, получаемые из троичных нитридов — соединений азота с двумя металлами, в последние годы становятся все более востребованными в области солнечной энергетики и современных катализаторов. Особый интерес вызывают соединения, где одним из металлов становится цинк: такие материалы демонстрируют отличную электропроводность и способны эффективно преобразовывать солнечный свет в электричество. Однако ученых давно волновал вопрос: как поведут себя эти перспективные материалы в реальных, а не лабораторных условиях, и смогут ли они сохранять свои свойства под влиянием кислорода и влаги, особенно при наличии дефектов в структуре?
Компьютерное моделирование: взгляд вглубь атомной решетки
Андрей Кистанов и его команда решили разобраться в процессах на атомном уровне с помощью современных методов квантово-химического моделирования. Исследованию подверглись три разновидности тройных нитридов, содержащих азот, цинк и один из следующих металлов: ванадий, ниобий или тантал. Учёные смоделировали не только идеальные кристаллические решетки, но и структуры с искусственно созданными вакансиями, чтобы понять, как на поведение материала влияют отсутствующие атомы азота или цинка.
Благодаря подробному анализу межатомных взаимодействий, исследователям удалось установить, как именно молекулы кислорода и воды, находящиеся в окружающей среде, взаимодействуют с этими материалами.
Кислород — «лекарь» для дефектных двумерных материалов
Результаты оказались по-настоящему воодушевляющими: оказалось, что именно кислород способен связываться с дефектными участками кристаллической решетки. При контакте с поверхностью, где отсутствует азот, молекулы кислорода распадаются на атомы и фактически заполняют образовавшиеся пустоты. Вновь возникающие связи между атомами кислорода и структурой материала характеризуются высокой прочностью, обеспечивая этим участкам структурную стабильность и восстановление исходных электронных свойств.
Важной особенностью оказалось то, что процесс самовосстановления протекает без какого-либо внешнего воздействия и при обычной комнатной температуре. Это свойство делает тройные нитриды особенно привлекательными для использования в солнечных элементах и электронных устройствах, так как ремонт дефектов будет происходить спонтанно прямо во время эксплуатации.
Вода менее эффективна — надежность материалов сохраняется
Параллельно анализировалось влияние воды на структуру материалов. Как показали квантово-химические расчеты, взаимодействие воды с поверхностью происходит гораздо слабее, чем у кислорода: молекулы воды в четыре раза менее склонны связываться с кристаллической решеткой, не воздействуют на структуру, не приводят к восстановлению дефектов, но и не разрушают материал. Это важный фактор, учитывая неизбежный контакт с влажной атмосферой: алюминиевые компоненты и электронные устройства будут защищены от повреждений даже в условиях повышенной влажности.
Ванадий задаёт тон восстановлению
Наиболее ярко выраженный эффект восстановления выявлен в нитриде цинка с ванадием. Именно в этом соединении ванадий способствует образованию особенно прочных связей с кислородом, благодаря чему такие материалы быстрее и эффективнее восстанавливают свою электронную и кристаллическую структуру. После воздействия кислорода они практически полностью возвращаются к начальному состоянию, сохраняют высокую производительность и дольше служат в устройствах.
Перспективы для микроэлектроники и солнечных технологий
Как отметил руководитель проекта Андрей Кистанов, способность этих материалов к самостоятельному восстановлению открывает дорогу широкому использованию тройных нитридов цинка в практических приложениях. В солнечной энергетике этот эффект позволит увеличить срок службы панелей, а в электронике — повысить надежность работы элементов даже при возникновении локальных повреждений. В будущем планируется дальнейшее исследование эксплуатационных характеристик нитридов, а также реализация их синтеза с использованием современных технологий, таких как магнетронное распыление.
Исследования, поддержанные Российским научным фондом, демонстрируют важную роль фундаментальной науки в создании материалов нового поколения, обладающих свойствами самовосстановления и устойчивости. Итоги работы команды Андрея Кистанова уже сегодня дают мощный импульс развитию эффективных и долговечных компонентов для инновационных технологий.
Источник: naked-science.ru
