Исследователи из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН и Дальневосточного федерального университета создали гибридный наноматериал с уникальными электронными свойствами. Сочетание монослоя молекул фуллеренов C₆₀ со слоистым топологическим изолятором Bi₂Se₃ и возможность гибкого регулирования свойств данной системы открывают перспективы для создания на его основе устройств молетроники, спинтроники и элементов квантовых вычислений.
Наноматериал представляет собой двумерную систему, состоящую из тонкой пленки селенида висмута Bi₂Se₃ на кремниевой подложке, на который выращен упорядоченный мономолекулярный слой фуллеренов C₆₀. Селенид висмута, как топологический изолятор, обладает уникальным свойством: он является диэлектриком в объеме, но проводит электрический ток по своей поверхности благодаря особым, устойчивым к внешним воздействиям состояниям. Фуллерены образуют на поверхности плотный слой, практически не взаимодействуя с подложкой, что позволяет сохранить их исходные электронные характеристики.
Ключевым достижением ученых стала демонстрация того, что электронную структуру всей гибридной системы C₆₀/Bi₂Se₃ можно контролируемо изменять. Это реализуется с помощью интеркаляции — внедрения атомов щелочного металла (калия) в молекулярный слой фуллеренов. Такое регулирование свойств критически важно для проектирования функциональных элементов электроники будущего.
«Созданный нами гибридный интерфейс объединяет два перспективных класса материалов. С одной стороны, это топологический изолятор с защищенными поверхностными состояниями, с другой — молекулярный слой, свойства которого мы можем гибко настраивать. Это открывает возможности для изучения новых квантовых явлений и создания устройств, в которых одновременно используются заряд и спин электрона, например, для энергоэффективной обработки информации или квантовых вычислений», — прокомментировал руководитель проекта, кандидат физико-математических наук Всеволод Мараров.
Ученые отмечают, что контролируемое внедрение атомов калия в молекулярный слой фуллеренов позволяет регулировать электронную структуру системы, что открывает путь к созданию состояний, характерных для дираковских полуметаллов — материалов вроде графена, где электроны ведут себя как безмассовые частицы, что может привести к новым квантовым явлениям.
Потенциальные области применения разработанного материала включают создание высокопроизводительных элементов наноэлектроники, устойчивых к помехам, сверхчувствительных фотодетекторов, а также платформ для дальнейшего научного исследования сильно коррелированных электронных состояний.
Работа поддержана Российским научным фондом.