Всю карьеру я был заинтригован тем, как ведут себя материалы, когда их размер сокращается до наноуровня — всего нескольких нанометров. При этом привычные законы физики начинают ломаться. Особенно интересно это в теплопроводности, где тепло переносится "фононами" — колебаниями атомов. Фононы очень чувствительны к ограниченному пространству.

Пару лет назад моделирование показало странную штуку: в ультратонких пленках кремния (толщиной 1–2 нанометра, как несколько слоев атомов) теплопроводность достигает минимума, а затем снова растет при еще меньшей толщине. Это противоречило традиционным теориям, которые предсказывали, что тепло будет ухудшаться по мере истончения пленки из-за меньшего места для движений фононов.

В своей новой статье в журнале Applied Physics я исследовал это с другой стороны. Вместо обычных моделей я посмотрел на ограничение с точки зрения геометрии. В обычных материалах фононы занимают шар в "обратном пространстве" (сфера Дебая). В тонкой пленке длинноволновые фононы исчезают, создавая "дыры" в этом шаре, как пустые зоны.

По мере истончения пленки эти дыры растут, искажая шар и смещая колебания к низким частотам. Это меняет "плотность состояний" — количество возможных колебаний. Теперь доминируют низкочастотные моды, которые хорошо переносят тепло. Моя модель точно совпала с данными моделирования без подгонки параметров.

Этот случай показывает, что в наноразмерных материалах нужно переосмысливать основы: простые геометрические ограничения могут объяснить странное поведение, а не только экзотика.

Последствия шире: похожие эффекты могут быть в проводниках, устройствах и даже двухмерных материалах. Это важно для электроники, где размер всё меньше, и для квантовых технологий, где тепло может нарушить работу. Я уже думаю о расширениях: от новых материалов до применения в суперведения и квантовых устройствах. Каждый сюрприз открывает двери к новой физике и технологиям.

(Автор — Антонио Закконе, профессор в Миланском университете. Ранее преподавал в Мюнхенском ТУ и Кембридже. Награды: серебряная медаль ETH, премия Геттингенской академии, стипендия Королевского колледжа, грант ERC. Работал над аналитикой переходов, упаковкой частиц и термоактивируемыми реакциями.)

Исследователи из Университета Райса использовали сфокусированный электронный луч для создания узоров с субмикронной точностью в ультратонком кристалле оксида молибдена. Эти узоры светятся ярко-синим светом и проводят электричество, что демонстрирует возможность их применения для компактной проводки и встроенных источников света на кристалле.

По словам доцента Хэ Ен Ли, электронный луч действует как наноразмерный карандаш, позволяя рисовать источники света и провода с точностью, недоступной традиционным методам, таким как литография. Оксид молибдена состоит из ультратонких слоёв, связанных слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, что делает материал легко настраиваемым для новых устройств.

Учёные предположили, что электроны высокой энергии выбивают атомы кислорода из кристаллической решётки, образуя кислородные дефекты. Эти дефекты усиливают свечение и повышают проводимость материала. В местах воздействия электронного луча интенсивность синего излучения значительно возрастала и сохранялась, а проводимость увеличивалась в сотни раз, формируя встроенные провода шириной всего несколько сотен нанометров.

Для экспериментов использовалась система катодолюминесцентной спектроскопии, которая позволила одновременно создавать дефекты и отслеживать излучение в реальном времени. Дополнительные методы подтвердили наличие кислородных дефектов.

Главным достижением работы является одновременное создание оптических и электрических свойств в одном материале с высокой точностью, без необходимости отдельных этапов для оптики и электроники. Исследователи отмечают, что метод может быть применён и к другим ван-дер-ваальсовым оксидам, открывая новые возможности для разработки оптоэлектронных устройств следующего поколения.

Через год после встречи исследователей NREL Мэтью Хаутцингера и Сейджа Бауэрса, посвящённой малоизученным наноматериалам, они успешно синтезировали квантовые точки из фазы Zintl на основе BaCd2P2. Эти нанокристаллы привлекают внимание яркой фотолюминесценцией, химической стабильностью и использованием доступных природных элементов.

"Мы переоценили материалы, разработанные 40-50 лет назад, чтобы найти новые неорганические кандидаты для современной оптоэлектроники", — отметил Хаутцингер. В частности, BaCd2P2 заинтересовал их оптимальной шириной запрещённой зоны, долгим временем жизни носителей и высокой устойчивостью к дефектам.

Поскольку традиционные методы получения материалов фазы Zintl непрактичны, команда провела первый синтез коллоидных квантовых точек BaCd2P2 и изучила их свойства, опубликованные в ACS Nano. Квантовые точки — нанокристаллы размером в несколько нанометров — обладают настраиваемыми оптическими и электронными характеристиками благодаря эффектам квантового удержания. Это открывает возможности для улучшения светодиодов, дисплеев, оптических волокон, солнечных панелей и биовизуализации.

Бауэрс подчеркнул, что уже при первом синтезе квантовые точки BaCd2P2 демонстрировали яркую фотолюминесценцию без специальной химической обработки, что говорит о большом потенциале материала.

Ключевым фактором стала высокая устойчивость BaCd2P2 к дефектам, предсказанная теоретически и подтверждённая экспериментально. В отличие от классических полупроводников, где требуется пассивация поверхности, этот материал легче превращается в квантовые точки без снижения качества.

Синтез осуществлялся путём быстрого введения фосфорного предшественника в нагретую смесь бария и кадмия с лигандами. Регулировка температуры позволяла контролировать размер наночастиц и их оптические свойства.

Для подтверждения структуры и состава использовались методы электронной и рентгеновской дифракции, рамановской спектроскопии и рентгеновской флуоресценции.

Полученные квантовые точки излучали яркий свет с квантовым выходом фотолюминесценции около 21% — показатель, достигаемый без сложной обработки и важный для промышленного применения.

Далее команда создала тонкие пленки из раствора BaCd2P2, характерные для оптоэлектронных устройств. Исследования показали гладкую поверхность без дефектов, что открывает путь к интеграции материала в реальные технологии.

"Мы упростили процесс синтеза, не потеряв контроля над свойствами материала", — отметил Бауэрс. Пленки из квантовых точек BaCd2P2 могут стать более доступной и эффективной альтернативой существующим технологиям.

Кроме того, BaCd2P2 состоит из широко распространённых элементов, что снижает риски перебоев в цепочках поставок. Команда также экспериментировала с частичной заменой кадмия на цинк для снижения токсичности, сохраняя фотолюминесцентные свойства.

"Это новое направление, и мы продолжим исследовать, как изменение состава влияет на свойства и открывает новые возможности", — добавил Бауэрс.

Таким образом, исследование квантовых точек на основе фаз Zintl, таких как BaCd2P2, открывает перспективы для развития оптоэлектроники с использованием стабильных, доступных и настраиваемых материалов.

Органическая химия, изучающая соединения углерода, составляет основу жизни на Земле. Однако металлы также играют важнейшую роль во многих биохимических процессах. Для объединения атомов тяжелых металлов с органическими соединениями природа использует особые структуры — порфирины. Эти молекулы образуют органическое кольцо, способное удерживать в центре ионы металлов, таких как железо, кобальт или магний.

Порфириновый каркас лежит в основе гемоглобина в крови человека, хлорофилла в растениях и многих ферментов. В зависимости от типа металла в центре молекулы, свойства соединений могут значительно варьироваться. Ученые давно стремятся использовать эту функциональность порфиринов, в том числе в молекулярной электронике.

Исследователям из лаборатории nanotech@surfaces компании Empa в сотрудничестве с химиками из Института исследований полимеров Макса Планка удалось решить ключевую задачу — соединить отдельные молекулы порфиринов с графеновыми нановолокнами точным и контролируемым способом.

Графеновые нановолокна представляют собой узкие полосы графена. Их свойства, включая проводимость и магнетизм, зависят от ширины и формы краев. Исследователи использовали ленту шириной 1 нанометр с зигзагообразными краями в качестве молекулярного провода. Вдоль этих краев молекулы порфирина располагаются через равные промежутки, чередуясь по сторонам ленты.

«Наша графеновая лента обладает особым типом магнетизма благодаря своей зигзагообразной структуре», — объясняет Фейфэй Сян, ведущий автор исследования. Атомы металла в порфиринах, в свою очередь, обладают традиционными магнитными свойствами. Разница заключается в электронах, которые обеспечивают спин — основу магнетизма.

«Благодаря соединению порфиринов с графеновой основой нам удалось объединить оба типа магнетизма в единую систему», — говорит соавтор работы Оливер Гренинг.

Это достижение открывает новые возможности в молекулярной электронике. Графеновая лента служит одновременно электрическим и магнитным проводником, выполняя роль наноразмерного «кабеля» между молекулами порфирина. Такой коррелированный магнетизм особенно перспективен для квантовых технологий, где спин выступает в качестве носителя информации.

Кроме того, порфирины являются оптически активными структурами, что позволяет взаимодействовать с электронными и магнитными свойствами системы с помощью света. Они могут излучать свет, длина волны которого изменяется в зависимости от магнитного состояния всей молекулярной цепочки. Обратный процесс также возможен: возбуждение порфиринов светом влияет на проводимость и магнетизм графеновой основы.

Синтез таких структур — сложный процесс. Молекулы-предшественники, состоящие из порфириновой сердцевины и углеродных колец, синтезируются химиками, а затем подвергаются термической обработке в условиях сверхвысокого вакуума. Золотая поверхность служит основой для формирования точных наноструктур.

В настоящее время команда работает над применением этих материалов в будущих квантовых технологиях, исследуя различные металлические центры в порфиринах и расширяя графеновую основу для создания универсальных электронных систем.

Исследователи из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета разработали новый способ управления излучением в терагерцовом диапазоне, что может привести к значительным достижениям в области связи, визуализации и зондирования. Терагерцовый диапазон, находящийся между микроволнами и инфракрасным излучением, имеет большой потенциал, но управление терагерцовыми волнами было затруднено из-за их малых размеров.

Доктор Владислав Михайлов, руководитель исследований, объяснил, что для эффективного управления терагерцовыми волнами необходимо было создать новую концепцию настройки. Традиционные конденсаторы, используемые для регулирования частоты, не могли быть уменьшены до необходимого размера для работы в терагерцовом диапазоне.

Исследователи использовали метаматериалы — массивы крошечных резонаторов, которые могут резонировать на определённых частотах. Встроив проводящий материал, такой как графен, они смогли настроить оптический отклик. Вместо уменьшения резонанса, как это делалось ранее, команда создала ультратонкие настраиваемые конденсаторы из графена, что позволило изменять резонанс более эффективно.

В ходе исследований были созданы сверхмалые графеновые заплатки, которые служат перестраиваемыми конденсаторами. Эти устройства продемонстрировали глубину модуляции более чем на четыре порядка и скорость модуляции 30 МГц, что является значительным достижением для терагерцовых технологий.

Публикация взята с сайта: https://www.nature.com/articles/s41377-025-01945-4