Перспективы применения дисульфидов тугоплавких металлов

Министерство образования Российской ФедерацииМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТим. Н. Э. БауманаРЕФЕРАТПО КУРСУ«Основы наноэлектроники и нанотехнологий»НА ТЕМУ:«Перспективы применения дисульфидов тугоплавких металлов»Выполнил: Самарцев А.С.Студент группы МТ11-72Проверил: Беликов А.И.г.Москва2014 г.СодержаниеВведение.....................................................................................................3Основная часть...........................................................................................5Биосенсоры............................................................................................5Секвенирование ДНК...........................................................................6Пьезоэлектрогенератор........................................................................8Полупроводниковыйдиод....................................................................9Заключение.................................................................................................

13Литература.................................................................................................. 142ВведениеВ настоящее время изучение двумерных или иначе 2D-материалов (2 dimension,dimension – англ. измерение) находится на передовом крае науки. Первым полученным (в2004 году) подобным материалом стали монослои углерода, так называемый графен. Заоткрытие специфических свойств в графене физики А.К.

Гейм и К.С. Новоселов получилив 2010 году Нобелевскую премию по физике.Но материалы, практически и теоретически, имеющие двумерную структуру былиизвестны почти так же давно как и графен. Полагая, что особыми свойствами обладаютвсе 2D-материалы, ученые разных стран обратили усилия на открытие таких свойств вдругих двумерных материалах. Уже начиная с 2011 года, публикуются первые работыпосвященные исследованию таких материалов.

В частности, 30 января 2011 годашвейцарские ученые опубликовали исследования посвященные перспективам дисульфидамолибдена в качестве полупроводникового материала для наноэлектроники [1].Внастоящее время обнаружено не менее 92 потенциальных аналогов графена, средикоторых такие материалы как: нитрид бора, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама,диселенид молибдена, теллурид ртути и теллурид висьмута и другие.

52 материала изсписка уже рассматриваются в качестве перспективного двумерного материала [2].Основным требованием к полупроводниковому материалу в электронике являетсяналичие достаточно широкой запрещённой зоны. Монослой дисульфида молибденаобладает требуемой запрещённой зоной. В то время как графен является проводником ини о какой запрещенной зоне в нем говорить не приходится, монослой дисульфидамолибдена имеет прямую запрещенную зону шириной в 1.79 эВ [3] (у кремния толькооколо 1 эВ).

Прямая запрещенная зона значительной ширины так же важна дляизготовления таких устройств, как светодиоды, солнечные батареи, фотоприменики и т.д.Подвижность свободных зарядов в дисульфиде молибдена оценивается в 100 см2/В*с,некоторые ученые сообщают о возможности достижения значения в 480 см2/В*с, еслииспользовать в качестве подложки полимер [4].Стоит обратить внимание и на технологические свойства MoS2. О них стоитсказать, что во-первых MoS2 встречается в большом количестве в виде минерала –молибденита, чья добыча для нужд наноэлектроники не вызовет особых сложностей,учитывая, что слоистый, не двумерный дисульфид молибдена уже давно используется вкачестве твердой смазки.

Во-вторых, MoS2 не склонен окисляться или взаимодействоватьс водяным паром в атмосфере до температур в 400-500°С, не реагирует с разбавленнымикислотами и щелочами, не растворяется в воде, без доступа воздуха разлагается только3при температуре около 1100°С, с большинством веществ реагирует только при нагреве.Имеет стабильные свойства до температур в 350°С. Иначе можно сказать, чторассматриваемый материал не склонен к деградации при эксплуатации за счёт химическихреакций.

В-третьих, методы его получения не являются уникальными и хорошо известны.Можно выделить как минимум 4 общих направления в методах получения(синтеза) MoS2:механический пилинг («Скоч-метод»)отшелушивание в среде растворителей под действием ультразвукахимическое осаждение из газовой фазы в среде защитных газов (CVD)облучение многослойного MoS2 зеленым лазеромУ дисульфида молебдена, дисульфида вольфрама может быть много различныхприменений.

О перспективах использования дисульфидов тугоплавких элементов всолнечных батареях, фоточувствительных матрицах, различными учеными проведенысоответствующие исследования. Дисульфид вольфрама может использоваться какключевой компонент для создания термоэлектрических нанолистов.У дисульфида молибдена есть большой потенциал в области наноэлектроники. Так,базовый компонент электроники – транзистор, может быть создан на основе MoS2 иуглеродных нанотрубок. На основе такого же сочетания был создан полупроводниковыйдиод. Ученые из MIT создали логические схемы из полупроводниковых элементов.Практическим же применением, могут стать гибкие жидкокристаллическиедисплеи, флеш-устройства с вместительностью во много раз большей, чем у современныханалогов,созданиебиосенсоров,высокочастотныхдатчиковнаосоновенаномеханических резонаторов и многое другое.

Круг устройств, которые могут бытьсозданы на основе наноэлектроники, потенциально будет иметь свойства и преимущества,которые не могут предложить современные аналоги. Более того, потенциал 2Dматериалов в целом и в наноэлектронике в частности ещё не до конца ясен. Некоторыеученые, как, например Виктор Атучин из Института физики полупроводников СО РАН,считает, что главная особенность наноэлектроники будет не в простой количественнойминиатюризации или замене микроэлектроники, а в качественных отличиях, недоступных ей. Вероятно, что в будущем будут созданы принципиально новыеустройства[5].4ОСНОВНАЯ ЧАСТЬБиосенсорыПри получении двумерного дисульфида молибдена, для обнаружения пластинокдисульфида толщиной в один или несколько молекулярных слоёв используется методфотолюминесцентной спектроскопии.

Совместная группа ученых из RMIT University(Австралия) и MIT (США) в своей последней работе использовала фотолюминесцентныесвойства двумерного слоя дисульфида молибдена, чтобы создать на основе двумерныхфрагментов дисульфида молибдена новый тип биосенсоров.Ионы малых по размеру ионов (таких элементов, как калий и водород) имеютсвойствовнедряться(интеркалировать)междуотдельнымислоямидисульфида.Дисульфид со встроенными в него атомами меняет свои фотолюминесцентные свойства,т.е.

перестаёт в результате оптического возбуждения испускать свет.Эксперементы показали, что при повышении молекул глюкозы вокруг биосенсорана основе MoS2 , фотолюминесценция будет уменьшаться.Теперь, предположим, что ионы калия высвобождаются из клеток и ферментов, вчеловеческом организме, что в перспективе позволит использовать обнаруженныеособенности фотолюминесценции и интеркаляции для мониторинга ионного обмена вживых клетках, который необходим для понимания фундаментальных биологическихпроцессов. Как известно, ионы водорода, лития, натрия и калия имеют жизненно важноезначение для многих биологических процессов, в частности, для передачи нервныхимпульсов, регулирования объема жидкости в организме, сердечной деятельности иопределения метаболических функций.

Новая исследовательская методика позволитузнать больше об этих процессах. [6]5Рисунок 1 – Спектры фотолюминесценции небольших фрагментов двумерногодисульфида молибденаСеквенирование ДНКОснованнаянагенахперсонализированнаямедицинаоткрываетширокиеперспективы в диагностике и адресной терапии, но развитию этой области препятствуетдорогой и трудоемкий процесс секвенирования ДНК.Секвенирование – это процесс считывания ДНК, установления последовательностичетырех генов четырех букв алфавита ДНК – A, C, G и T. Происходит секвенированиечерез нанопору, которая представляет собой крошечное отверстие, пробуренное в тонкомлисте материала. Эта пора достаточно велика, чтобы через нее могла пройти молекула6ДНК.