Grafen, dwuwymiarowy (2D) arkusz wykonany z pojedynczej warstwy atomów węgla, to cudowny materiał o niezwykłych właściwościach elektrycznych, mechanicznych i chemicznych. Jego właściwości sprawiają, że idealnie nadaje się do różnorodnego zestawu zastosowań obejmujących różne gałęzie przemysłu. Odkrycie wkrótce doprowadziło do opracowania wielu innych materiałów 2D, zwanych łącznie X-enes lub po prostu Xenes. Tutaj X może być pierwiastkiem z grupy IV układu okresowego, takim jak krzem, german i cyna, który ma dwuwymiarowe odpowiedniki zwane silicenem, germanenem i stanenem (od łacińskiej nazwy cyny -stannum). Pod względem atomowym Xene mają wiele cech wspólnych z grafenem, ale dodają więcej funkcji, co czyni je kandydatami do zastosowania w nowoczesnej infrastrukturze cyfrowej.

Podczas gdy grafen składa się z płaskiego arkusza atomów węgla w jednej płaszczyźnie, atomy wielu innych materiałów 2D układają się we wzór zygzaka lub piły łańcuchowej (jak na rysunku), dzięki czemu zyskały nazwę „wyboczonych Xenów”.

„Stopień wyboczenia może wykryć charakter elektroniczny lub wpłynąć na reaktywność chemiczną. Zatem wyboczenie może sprzyjać szeregowi potencjalnych funkcjonalności, które można łatwo zaprojektować” – wyjaśnia pan Swastik Sahoo, doktorant na Wydziale Elektrotechniki Indyjskiego Instytutu Technologii w Bombaju (IIT Bombay).

Jako nowy uczestnik świata nauk o materiałach, właściwości wyboczonych Xenów są nadal badane. W pierwszym przypadku pan Sahoo i zespół składający się z badaczy z IIT Bombay i India Korea Science and Technology Centre (IKST) w Bengaluru, kierowany przez prof. Bhaskarana Muralidharana, profesora na Wydziale Elektrotechniki IIT Bombay, wykorzystali wiedzę teoretyczną analizy mające na celu przewidywanie właściwości wyboczonych Xenów. Wykorzystali dobrze znane, ale uzupełniające się teorie kwantowe – teorię funkcjonału gęstości (DFT) i teorię transportu kwantowego, aby zbadać materiał na poziomie atomowym i określić właściwości elektryczne tych materiałów, szczególnie pod wpływem odkształcenia. DFT to model mechaniki kwantowej, który pozwala nam badać właściwości układów wieloelektronowych, takich jak atomy z wieloma elektronami na orbicie, natomiast teoria transportu kwantowego wyjaśnia, w jaki sposób cząstki w atomie przemieszczają się po strukturze urządzenia pod wpływem przyłożonego napięcia, w ten sposób badanie jego właściwości elektrycznych.

Według profesora Muralidharana „DFT ma dużą moc predykcyjną, nawet w przypadku zupełnie nowych cząsteczek lub materiałów. Obliczenia DFT pomagają zrozumieć, jak materiały i urządzenia zachowują się i działają w różnych warunkach.

Obliczenia DFT wykonano we współpracy z IKST Bengaluru pod przewodnictwem dyrektora ds. badań i rozwoju, dr Satadeepa Bhattacharjee. Naukowcy wykorzystali DFT, aby zrozumieć zachowanie wyboczonych Xenów w różnych warunkach odkształcenia. Następnie wykorzystano kwantową teorię transportu, aby zrozumieć zmiany właściwości elektronicznych materiału w różnych warunkach, np. zwiększenie przyłożenia odkształcenia.

„Teoria transportu kwantowego opiera się na podejściu Landauera, które jest prostym, fizycznym podejściem do analizy transportu elektronów w nanoskali. Wzór Landauera jest cennym narzędziem do obliczania charakterystyk prądowo-napięciowych” – dodaje.

Korzystając z zasad kwantowych, zespół zbadał, w jaki sposób odkształcenie przyłożone do wyboczonych Xenów wpływa na właściwości materiału, w szczególności na właściwość zwaną kierunkową piezorezystancją. Piezorezystancja to właściwość materiałów, w przypadku której naprężenie przyłożone do materiału zmienia opór elektryczny materiału. Z badania wynika, że ​​materiały 2D-Xene wykazują dużą stabilność pod wpływem naprężeń, co oznacza, że ​​zachowują swoje właściwości elektryczne i mechaniczne na wysokim poziomie po zgięciu, rozciągnięciu lub skręceniu – a to cechy ważne dla rozwoju elastycznej elektroniki, takiej jak urządzenia do noszenia i smartfony.

Zespół skupił się na silicenie – pojedynczej warstwie atomów krzemu – i porównał go z innymi materiałami z rodziny Xene, takimi jak german, stanen i fosforen.

„Silicen jest głównym kandydatem do różnych zastosowań ze względu na jego zgodność z już certyfikowanym przemysłem krzemowym” – zauważa pan Sahoo.

Na podstawie swoich badań naukowcy z IIT Bombay wywnioskowali kąty transportu dla 2D Xenes, czyli kąt krytyczny, przy którym właściwości elektryczne 2D Xene pozostają stabilne. Na szczególną uwagę zasługuje stanen, który utrzymuje stabilność nawet przy obciążeniu do 10%. Co ciekawe, podają, że zmiany odpowiadające zmieniającym się poziomom odkształcenia mają przebieg sinusoidalny, co jest cechą, która może pomóc inżynierom w projektowaniu inteligentnych urządzeń, takich jak składane smartfony i inteligentne ekrany, które w przewidywalny sposób reagują na skręcanie i zginanie.

Patrząc w przyszłość, naukowcy planują dalsze badanie możliwości wyboczonych ksenów, koncentrując się szczególnie na ich interakcjach ze spintroniką (badanie skutków wewnętrznego spinu elektronów na półprzewodnikach) oraz wpływie naprężenia na powierzchnię styku między wyboczonymi ksenami a metalem podłoża.

Naukowcy przewidują, że wszechstronność i stabilność zapiętych Xenów utoruje drogę do znaczących postępów w różnych gałęziach przemysłu. Badanie może otworzyć drzwi do świata wysokowydajnej i elastycznej elektroniki. Zapinane na klamry Xenes oferują nowe, ekscytujące możliwości zastosowań, takich jak komputery typu roll-up, technologia noszenia i zaawansowane urządzenia kwantowe, obiecując przyszłość zdefiniowaną przez niezrównaną elastyczność i wydajność w elektronice.