Ученые разработали ферромагнитный полупроводниковый MXene, способный революционизировать электронику

Новый материал может стать основой принципиально новых процессоров

Ученые из Института материаловедения и инженерии Нинбо при Китайской академии наук, а также Чжэцзянского университета и лаборатории сообщили о создании первого в мире двумерного лантаноидного материала класса MXene («максин»). Исследование опубликовано в авторитетном научном журнале Nature. Если графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, то MXene состоит из столь же тонких слоев, которые формируются из переходных металлов (таких как титан, ванадий, ниобий, молибден и др.) и углерода или азота.

Основное достижение исследователей заключается в том, что им впервые удалось сочетать в одном материале два свойства, которые ранее почти никогда не встречались одновременно у MXene — полупроводниковое поведение и ферромагнетизм.

До сих пор большинство известных MXene разрабатывались на основе титана, ванадия, ниобия и других ранних переходных металлов. Эти материалы обладают высокой электропроводностью, но плохо подходят для устройств, где необходимо одновременно контролировать электрические и магнитные свойства.

Чтобы преодолеть эту проблему, ученые разработали новую технологию синтеза, основанную на методе «химических ножниц». Этот подход позволяет фактически «разрезать» кристаллическую структуру на атомном уровне, выборочно удаляя, заменяя или перестраивая отдельные атомные слои. В результате исследователи могут создавать материалы практически как конструктор, заранее определяя их будущие характеристики.

Сам процесс состоит из двух этапов. Сначала металл из группы лантаноидов реагирует с галогенидом меди, формируя промежуточное соединение. Затем при высокой температуре оно взаимодействует с графитом, образуя новую слоистую структуру MXene, где чередуются атомы металла, углерода и галогенов.

Тесты подтвердили, что полученный материал одновременно является полупроводником и сохраняет стабильные ферромагнитные свойства. Такое сочетание давно считается одной из основных целей материаловедения, так как открывает возможности для разработки совершенно новых электронных устройств.

Ученые особенно надеются на применение в спинтронике — направлении электроники, использующем не только электрический заряд электрона, но и его спин. Это позволит создавать более быстрые, компактные и энергоэффективные устройства по сравнению с традиционной микроэлектроникой.

Авторы исследования полагают, что новый материал может быть использован в энергоэффективных логических процессорах, высокочастотных коммуникационных системах, магнитных датчиках, элементах памяти нового поколения и даже в компонентах будущих квантовых компьютеров.

Не менее значимым достижением стал и сам метод синтеза. Ученые считают, что технология «химических ножниц» является универсальной и в будущем позволит создавать целый ряд новых двумерных материалов с заранее определенными электрическими, магнитными и оптическими свойствами.