Ученые выяснили, какой «плоский» алмаз лучше подходит для плоских экранов

Теоретический анализ свойств сверхтонких алмазных пленок и определение наиболее пригодных из них для изготовления дисплеев с автоэлектронной эмиссией провел международный научный коллектив, 24 марта сообщает пресс-служба Сколковского института науки и технологий Сколтех.

В коллектив исследователей вошли ученые Сколтеха, Арктического университета Норвегии, Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН и ряд их коллег из других научных учреждений.

Дисплеи с автоэлектронной эмиссией на первом этапе разрабатывались наравне со ставшими основными жидкокристаллическими дисплеями, но уступили им первенство. Однако ученые считают, что имеющую такие преимущества технологию, как низкое энергопотребление, широкий угол обзора и безынерционность (пиксели быстро меняют цвет), списывать со счетов не следует.

Результаты исследования характеристик «плоских» алмазов ученые представили в статье «Электронные свойства функционализированных диаманов для автоэмиссионных дисплеев», опубликованной в журнале первого квартиля ACS Applied Materials & Interfaces (IF 10,38).

Диаманом называется сверхтонкая алмазная пленка, которую получают, наложив друг на друга два и более слоев графена и присоединив к внешним поверхностям получившейся конструкции атомы фтора, водорода или некоторых других элементов. В результате происходит искривление графена и его слои соединяются в плоский алмаз.

Было известно, что электронные свойства диамана подходят для использования в дисплеях компьютеров, телефонов, телевизоров и т. д. с автоэлектронной эмиссией. Трудность до настоящего времени, однако, состояла в том, что свойства диаманов, зависящих от многих параметров, трудно поддаются вычислению, что тем не менее не остановило авторов статьи.

Одним из исследователей свойств диаманов стал старший преподаватель Сколтеха Александр Квашнин из Проектного центра по энергопереходу, защитивший кандидатскую диссертацию на тему свойств диаманов. Он рассказал о проделанной коллективом работе:

«Мы рассмотрели различные диаманы с точки зрения влияния ряда факторов на их электронные свойства, а значит и на их применимость в дисплеях с автоэлектронной эмиссией. Всего было рассмотрено 60 сверхтонких алмазных пленок — это число получается, если перемножить три переменные».

Этими переменными являются, во-первых, количество слоев углерода, которых могло быть от одного до шести. Во-вторых, тип атомов, покрывающих поверхность пленок: им мог быть фтор или водород. В-третьих, слои графена могут по-разному быть ориентированы друг относительно друга. Исследователями изучались пять вариантов их взаимной ориентации.

Для каждой из 60 конфигураций диамана авторами была рассчитана ключевая характеристика для дисплеев с автоэмиссией — количество энергии, необходимой для того, чтобы выбить электрон с поверхности алмазной пленки, поскольку в них излучение электронов используется для зажигания пикселей, из которых складывается изображение на экране. Меньший расход энергии при этом означает меньшее энергопотребление экрана.

Определяется эта величина так называемой запрещенной зоной материала — диапазоном энергий в твердом теле, в котором не может существовать электронных состояний. Авторы статьи рассчитали и исследовали запрещенные зоны каждой конфигурации.

В результате была определена наиболее подходящая для дисплеев конфигурация диамана. Это шесть слоев графена, гидрированная поверхность (водород, а не фтор) и ориентация углеродной пленки с поверхностью (2̅110).

Первый автор исследования, выпускник аспирантуры Сколтеха, старший научный сотрудник Кристиан Тантардини из ИХТТМ СО РАН и Арктического университета Норвегии рассказал:

«Помимо электронных свойств нами были определены поверхностные дипольные моменты посредством создания полуколичественного подхода на основе шкалы электроотрицательности, разработанной мной и профессором Огановым в Сколтехе. Данный подход позволяет избежать сложных и долгих первопринципных расчетов и спрогнозировать реакционную способность поверхности новых двумерных материалов».

Так как поверхностные дипольные моменты влияют на электронные свойства диаманов, включая эмиссию электронов, полученная информация важна для подбора альтернативных материалов при разработке дисплеев с автоэлектронной эмиссией, отметил ученый.