Physics Today: Ученые придумали двумерные сверхпроводящие чернила

Ученые из Принстонского университета изобрели сверхпроводящие двумерные чернила, которые можно легко хранить, наносить и применять на практике, пишет Physics Today. Эта технология, разработанная аспиранткой Сяою Сон, ее руководительницей Лесли Шооп и их коллегами, может совершить революцию в производстве микросхем и гибкой электроники, а также открыть дорогу к квантовым компьютерам.

Двумерными называют чернила, позволяющие нанести слой толщиной в одну молекулу. Создание двумерных объектов с помощью таких чернил не требует сложной техники, а полученные “рисунки” устойчивы к действию окружающей среды и не требуют защитных покрытий. Благодаря этим чернилам те двумерные материалы, которые ранее были доступны только в лабораторных условиях, могут стать коммерчески доступными. С помощью чернил, проводящих электричество, можно нарисовать электропроводящий узор. Они используются для нанесения микросхем на гибкие поверхности и могут пригодиться в самых разных областях, от бытовой электроники до суперкомпьютеров.

Материалом для чернил, которые синтезировала принстонская рабочая группа, послужил дисульфид вольфрама WS2. Он известен в виде нескольких модификаций — одинаковых по своему химическому составу, но различных по кристаллической структуре веществ. Для чернил использовался так называемый 1T′-дисульфид вольфрама. Получить его довольно сложно, поскольку обычные методы дают смесь различных кристаллических структур. Ранее было предсказано, что двумерные «чешуйки» 1T′ дисульфида вольфрама могут обладать свойством сверхпроводимости. Однако не существовало удобного способа получать эти «чешуйки» в промышленных масштабах.

Технология получения «чешуек» ранее была отработана на схожем веществе — дителлуриде вольфрама. Но двумерные чернила из него оказались неустойчивыми на воздухе и требовали сложных органических молекул-стабилизаторов. А существующие методы не позволяли выделить чистую 1T′-фазу двумерного дисульфида вольфрама; она оказывалась загрязнена другими кристаллическими фазами.

В качестве исходного вещества для синтеза дисульфида вольфрама ученые обычно использовали дисульфид калия-вольфрама, однако у них не получалось создать мономолекулярный дисульфид вольфрама с нужной кристаллической структурой. Принстонская аспирантка догадалась готовить исходное вещество при высокой температуре, что создало нужную кристаллическую структуру с упорядоченными слоями WS2. Чтобы удалить ионы калия, полученное вещество погружали в кислоту, а чтобы расслоить на мономолекулярные слои — облучали ультразвуком. Так были получены мономолекулярные слои дисульфида вольфрама с нужной структурой. Затем монослои были центрифугированы и помещены в обычную воду.

Полученные чернила, как оказалось, обладают целым рядом удивительных свойств. Они оказались устойчивы при комнатной температуре и не портились в течение месяца. Такими чернилами можно создавать “узоры”, которые также устойчивы к внешним воздействиям и не требуют защитных покрытий. Их можно наносить на самые разные подложки: вафли из кремния/оксида кремния, оксид индия-олова, боросиликатное стекло, полимерные материалы.

Но самое ценное — сверхпроводящие свойства этих чернил. Они обладают свойствами проводника при комнатной температуре и переходят в сверхпроводящее состояние при температуре 7,3° Кельвина, что выше всех значений для дихалькогенидов переходных металлов (халькогениды — соединения с серой и ее аналогами по таблице Менделеева). При этом важно, что полученный дисульфид вольфрама обладает нужной кристаллической структурой, иначе сверхпроводимости не получится.

Полученные чернила из дисульфида вольфрама — хороший кандидат в топологические изоляторы, то есть такие вещества, которые устроены как изолятор в объеме, но как проводник на поверхности. Топологические изоляторы считаются перспективным материалом для бездиссипационных транзисторов в квантовых компьютерах, работающих на квантовом эффекте Холла. (Эффект Холла — это возникновение в проводнике, находящемся в магнитном поле, электродвижущей силы, перпендикулярной направлениям тока и магнитного поля.)

Устойчивость полученных двумерных чернил к внешним воздействиям делает их интересным материалом для того, чтобы изучать соотношение между топологическими свойствами и сверхпроводимостью. Простота синтеза и стабильность полученных чернил предполагают, что их можно будет применить в самых разных областях, таких как квантовые вычисления, изготовление интегральных микросхем, а также гибких устройств.