eknow — обзор технологий

Международная команда исследователей при поддержке Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) продемонстрировала ультратонкие листы экзотического материала, который сохраняет прозрачность и высокую проводимость даже после тысячекратного сгибания, складывания и сминания подобно бумаге.

Результат этой работы важен уже потому, что открывает перед целым классом необычных материалов, называемых топологическими изоляторами, возможные области их практического применения: гибкие прозрачные электроды для солнечных батарей, сенсоров и оптических коммуникаторов. Подробности исследования можно найти в журнале Nature Chemistry.

Итак, получены и всесторонне исследованы образцы материала, в котором одноатомные слои висмута и селена чередуются, образуя пятислойную структурную единицу (юнит). Селеновые связи между отдельными юнитами слабы, что обеспечивает высокую эластичность и долговечность. Неожиданно оказалось, что новый материал обладает ещё и свойствами так называемого топологического изолятора (несмотря на то что поверхность материала является проводником, внутри объёма он изолятор). Правда, потенциал топологических изоляторов в фундаментальных исследованиях и практических применениях до сих пор не был определён.

Поскольку в структуре сульфида висмута доминируют атомы поверхностного слоя, материал является исключительно хорошим электрическим проводником, не хуже золота. Однако, в отличие от золота, селенид висмута прозрачен для инфракрасного света, воспринимаемого нами как тепло. В то время как около половины всей солнечной энергии, достигающей земли, приходит в форме инфракрасного излучения, сегодня практически нет солнечных батарей, способных реально абсорбировать и конвертировать этот свет в электричество (на массовом рынке их нет вовсе). Прозрачные электроды на поверхности большинства фотогальванических ячеек или не пропускают ИК-излучение, или слишком хрупки, или обладают недостаточной проводимостью.

Таким образом, новый материал стал неожиданным решением этой давней проблемы, способным существенно расширить спектр абсорбируемого фотогальваническими ячейками солнечного света и, следовательно, повысить их общую эффективность.

ИК-импульсы используются для переноса телефонных звонков и данных в оптоволоконных сетях — а значит, селенид висмута может найти применение и в телекоммуникационном оборудовании. Кроме того, материал мог бы быть полезен при изготовлении более качественных ИК-сенсоров для научного оборудования и аэрокосмических систем.

Топологические изоляторы теоретически предсказаны в 2004 году; первый образец такого материала — теллурид ртути, экспериментально полученный в 2006 году, проявлял свойства топологического изолятора только при очень низких температурах. Затем последовали другие примеры подобных материалов — и вот наконец в SLAC получили селенид висмута, который проявляет свойства топологического изолятора при комнатной температуре.