Исследователи из Японии синтезировали новый ван-дер-ваальсов оксид 2H-NbO₂. Этот материал демонстрирует сильно коррелированные электронные свойства и двумерную гибкость.
Как это работает?
Учёные химически извлекли ионы лития из слоистых листов LiNbO₂. В результате трёхмерный оксид превратился в двумерный материал, открыв уникальные свойства, такие как состояния Мотта с изоляционными свойствами и сверхпроводимость.
Что это значит?
Двумерные (2D) материалы стали основой исследований в области электроники нового поколения. Эти материалы, слои которых удерживаются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, известны своими уникальными квантовыми свойствами и перспективными приложениями в электронике.
Однако, несмотря на значительный прогресс в изучении 2D-материалов, таких как графен и дихалькогениды переходных металлов, одно семейство материалов, известное как оксиды переходных металлов (TMOs), оставалось неизученным в контексте двумерных приложений.
Открытие нового материала
В новаторском исследовании группа учёных под руководством доцента Такуто Сома, доцента Кохея Ёсиматсу, профессора Акиры Омото и аспирантки Ая Сато из Института науки Токио (Science Tokyo), Япония, в сотрудничестве с профессором Хироши Кумигашира из Университета Тохоку, Япония, синтезировала 2H-NbO₂. Это новый двумерный материал с уникальными электронными свойствами сильно коррелированных TMOs.
Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.
«Синтезировав 2H-NbO₂, мы получили сильно коррелированный ван-дер-ваальсов оксид, который демонстрирует характеристики как TMOs, так и 2D-материалов», — подчёркивает Сома.
Как был синтезирован 2H-NbO₂?
Для синтеза 2H-NbO₂ исследователи использовали уникальную химическую стратегию. Они использовали наноразмерные тонкие плёнки LiNbO₂, которые имеют слоистую оксидную структуру. С помощью высокотемпературной реакции сильного окисления они достигли селективного удаления ионов лития (Li) из LiNbO₂ посредством процесса, называемого деинтеркаляцией лития.
Эта деинтеркаляция привела к «слоистой структуре 2H-типа» с атомами, расположенными в гексагональном узоре, подобном классическому 2D-материалу, но с сильно коррелированными электронами.
Анализ 2H-NbO₂
Расширенный анализ 2H-NbO₂ подтвердил, что он становится коррелированным изолятором в основном из-за наполовину заполненных одноэлектронных зон. Эта специфическая электронная конфигурация приводит к сильному электрон-электронному отталкиванию, что вызывает изоляционное поведение, несмотря на присутствие Nb 4d-электронов.
Эти свойства тесно связаны с ключевыми явлениями в современной физике, включая переходы металл-изолятор и нетрадиционную сверхпроводимость, которые представляют значительный интерес из-за их сложной физики и потенциальных технологических приложений.
Значимость открытия
«Значение заключается в объединении двух областей исследований — коррелированных оксидов и 2D-материалов, которые до сих пор развивались отдельно», — объясняет Сома. «Наши результаты открывают новый класс двумерных квантовых материалов, которые сочетают сильные электронные корреляции со структурной гибкостью ван-дер-ваальсовых соединений».
Ожидается, что этот прорыв найдёт широкое применение в области квантовых материалов, электронных устройствах нового поколения и устойчивом материаловедении.
Предоставлено Институтом науки Токио.