Ru
En

РНФ 21-12-00399

Химически индуцированный фазовый переход в низкоразмерных структурах
Проект направлен на разработку принципиально нового метода синтеза ультратонких алмазных плёнок атомарной толщины путём контролируемого фазового превращения двумерных углеродных структур (бислойного графена, двустенных нанотрубок) под воздействием химических агентов (водорода, фтора).
Цель проекта

Разработать принципиально новый метод получения ультратонких алмазных плёнок атомарной толщины путём контролируемого фазового превращения двумерных углеродных структур (бислойного графена, двустенных нанотрубок) под воздействием химических агентов (водорода, фтора), что позволит преодолеть ограничения традиционных подходов и создать материалы с уникальными механическими, термическими и электронными свойствами для применения в наноэлектронике и квантовых технологиях.

Ключевые аспекты:

  • Преодоление ограничений классических методов

Отказ от традиционного CVD-синтеза из-за неконтролируемого роста слоёв в пользу "мягкой" химической трансформации графеновых структур.

Исследование механизмов фазового перехода графит→алмаз на атомарном уровне с учётом поверхностных эффектов.

  • Экспериментально-теоретический подход:

Экспериментальная проверка синтеза алмазных плёнок через функционализацию бислойного графена (H/F).

Теоретическое моделирование процессов для графена, нанотрубок и родственных структур.

  • Фундаментальные и прикладные цели:

Изучение аномальных свойств алмазных монослоёв (прочность, теплопроводность, электронные характеристики).

Создание основы для применения в наноэлектронике, квантовых технологиях и защитных покрытиях.

Основные исполнители
Группа ученых и исследователей, работающих над этим проектом

Результаты проекта
Разработаны принципиально новые методы синтеза ультратонких алмазных плёнок атомарной толщины (диаманов) путём контролируемого фазового превращения двумерных углеродных структур (биграфена, нанотрубок) под воздействием химических агентов (водорода, фтора) и ионного облучения. Экспериментально подтверждено образование алмазных наноструктур с рекордными характеристиками. Создан прототип мемристора на основе гетероструктуры графен/диаман/графен, демонстрирующий гигантское магнетосопротивление (104–105%) и резистивное переключение при ±0.9 В. Установлено, что химически индуцированный переход в биграфене приводит к формированию sp3-гибридизованных областей с повышенной механической жёсткостью (на 20% выше графена) и полупроводниковыми свойствами.
Разработаны теоретические модели, предсказывающие возможность синтеза диамановых нанолент из коллапсированных углеродных нанотрубок с регулируемой шириной запрещённой зоны.
Преимущества результата
  • Технологическая совместимость
    • Методы химической трансформации биграфена и ионного легирования интегрируются с существующими КМОП-процессами, упрощая масштабирование.
    • Предложенные подходы (например, использование растворов водорода в платине) снижают энергозатраты синтеза по сравнению с традиционными CVD-методами.
  • Материалы с экстремальными свойствами
    • Диамановые плёнки сочетают высокую механическую прочность и термическую стабильность, что актуально для защитных покрытий и термоинтерфейсов.
    • Локальное алмазообразование в графене открывает путь к созданию гибридных 2D-материалов с заданными проводящими/изолирующими областями для наноэлектроники.
  • Электроника нового поколения
    • Мемристоры на основе диамановых структур перспективны для создания энергоэффективной памяти и нейроморфных вычислений благодаря рекордному магнетосопротивлению и стабильности переключения.
    • Алмазные наноленты с контролируемой запрещённой зоной могут стать основой для гибкой нанофотоники и квантовых сенсоров.
  • Применимость в промышленности
    • Защитные покрытия с экстремальной износостойкостью,
    • Гибридные 2D-материалы с заданными проводящими/изолирующими свойствами для гибкой электроники,
    • Квантовые сенсоры и элементы нанофотоники на основе алмазных нанолент.
Публикации по проекту
  • Erohin S.V., Sorokin P.B., Ruoff R.S. Fluorination of Single-Wall Carbon Nanotubes: Toward “Diamond Nanoribbons” // J. Phys. Chem. C 2023, V. 128, № 1, P. 549
  • Emelin, E.V.; Cho, H.D.; Korepanov, V.I.; Varlamova, L.A.; Klimchuk, D.O.; Erohin, S.V.; Larionov, K.V.; Kim, D.Y.; Sorokin, P.B.; Panin, G.N. Resistive Switching in Bigraphene/Diamane Nanostructures Formed on a La3Ga5SiO14 Substrate Using Electron Beam Irradiation // Nanomaterials 2023, 13, 2978
  • Sorokin P.B., Yakobson B.I. Two-Dimensional Diamond—Diamane: Current State and Further Prospects (обзор) // Nano Lett. 2021. V.21, №13, P.5475–5484
  • Varlamova L.A., Erohin S.V., Larionov K.V., Sorokin P.B. Diamane oxide. Two-dimensional film with mixed coverage and variety of electronic properties // J. Phys. Chem. Lett. 2022 V. 13, P. 11383–11390
  • Emelin E.V., Cho H.D., Korepanov V.I., Varlamova L.A., Erohin S.V., Kim D.Y., Sorokin P.B., Panin G.N. Formation of diamane nanostructures in bilayer graphene on langasite under irradiation with a focused electron beam // Nanomaterials 2022 V. 12, № 24, P. 4408
  • Varlamova L.A., Erohin S.V., Sorokin P.B. The role of structural defects in the growth of two-dimensional diamond from graphene // Nanomaterials 2022. V. 12, №22, P. 3983
© 2024 Лаборатория Цифрового Материаловедения