Российские учёные смоделировали новый двумерный нитрид для фотодетекторов и солнечных батарей

Современная электроника стремится к миниатюризации: замена объёмных материалов тончайшими плёнками толщиной в несколько атомов позволяет не только уменьшить размеры устройств, но и улучшить их характеристики. В двумерных материалах электроны обладают большей подвижностью, что повышает эффективность преобразования света в электричество — ключевой параметр для фотодетекторов и солнечных батарей. Однако синтез новых двумерных соединений экспериментальным методом «проб и ошибок» требует много времени и ресурсов, поэтому всё чаще исследователи прибегают к компьютерному моделированию.

Моделирование и прогнозирование свойств

Группа учёных под руководством доктора физико-математических наук Андрея Кистанова использовала теорию функционала плотности — метод расчёта электронной структуры, позволяющий предсказать, будет ли соединение стабильным, и оценить его оптические, электронные и механические свойства. Изначально исследователи смоделировали двумерный образец нитрида ванадия и цинка, состоящий всего из двух слоёв атомов. Затем они добавили несколько дополнительных слоёв, получив модель тонкой плёнки.

Двумерная структура показала лучшие результаты

Все смоделированные соединения оказались стабильными. Однако наиболее перспективные свойства продемонстрировал именно двумерный образец из двух атомных слоёв. Он поглощает ультрафиолет с эффективностью 13% — это выше, чем у дихалькогенидов переходных металлов, которые считаются одними из лучших двумерных материалов-аналогов. Кроме того, в этом образце электроны оказались наиболее подвижными, что особенно важно для эффективного преобразования световой энергии в электрический заряд. Авторы отмечают, что при дальнейшем улучшении структуры материала эффективность поглощения можно будет повысить, что сделает его перспективной основой для высокочувствительных фотодетекторов.

Интересной особенностью нового соединения является то, что его электронные свойства меняются в зависимости от типа подложки, на которую он нанесён. Это открывает возможность использования материала в устройствах стрейнтроники, где управление характеристиками осуществляется за счёт механической деформации. Такая технология позволит создавать сверхкомпактные сенсоры и системы сбора энергии.

Результаты исследования опубликованы в The Journal of Physical Chemistry C. В планах учёных — расширить проект и получить данные обо всём семействе двумерных нитридов металлов. На основе собранной информации будет создана общедоступная база данных с подробными расчётными параметрами и свойствами этих материалов.