Новый метод предсказывает перспективные 2D-материалы для электроники будущего

CuBiP₂Se₆ с видом вдоль оси c (слева) и оси a* (справа). Связи Cu-Bi опущены для наглядности. Каждый ион Cu представляет примерно равное частичное заполнение. Пунктирная синяя линия подчеркивает паттерн в искажении Cu в сторону участка Bi. Автор: Chemistry of Materials (2025). DOI: 10.1021/acs.chemmater.5c00678

Поиск новых материалов с полезными свойствами — ключевая задача для материаловедов и важный шаг в развитии технологий. Одно из самых перспективных направлений — двумерные (2D) материалы: сверхтонкие структуры толщиной в несколько атомов, которые могут стать основой электроники следующего поколения. В новом исследовании ученые из Университета Мэриленда (UMBC) разработали метод прогнозирования таких материалов. Результаты опубликованы в журнале Chemistry of Materials 7 июля.

2D-материалы напоминают лист бумаги толщиной в несколько атомов. Несмотря на кажущуюся хрупкость, они могут быть исключительно прочными или обладать уникальными проводящими свойствами. Их слои удерживаются слабыми ван-дер-ваальсовыми связями, позволяющими материалу деформироваться без разрушения.

Команда под руководством аспиранта Пэн Яна и доцента Джозефа Беннета сосредоточилась на фосфохалькогенидах — классе 2D-материалов с сегнетоэлектрическими свойствами. Некоторые из них также проявляют магнитные свойства, что делает их идеальными кандидатами для создания памяти нового типа и датчиков.

«Известно всего два 2D-материала с такой структурой, — пояснил Беннет. — Мы задались вопросом: где могут скрываться другие?»

«Карта сокровищ» для материаловедов

Исследователи использовали методы анализа данных, компьютерное моделирование и структурный анализ, чтобы выявить перспективные материалы. «Мы разработали набор химических правил для их предсказания, что может значительно ускорить поиск новых функциональных материалов», — отметил Пэн Ян.

Студент Джошуа Биренцвиг создал Python-скрипт для сортировки кандидатов по свойствам, а аспирантка Мона Лайег стала соавтором работы. Ученые проанализировали базу данных кристаллических структур и использовали квантовые диаграммы для выявления «зон интереса».

«Эти диаграммы — как карта сокровищ, — сказал Беннет. — Они указывают области, где могут скрываться стабильные 2D-материалы».

Рисунок из исследования показывает атомные структуры, выявленные алгоритмом команды. Всего обнаружено 83 перспективных материала, часть из которых уже синтезирована в лаборатории. Автор: Yan, P. et al.

От теории к практике

После компьютерного анализа ученые UMBC совместно с коллегами из Университета Мэриленда синтезировали и протестировали часть предсказанных материалов. «Это как книга рецептов для еще не созданных веществ», — пояснил Беннет.

Такие материалы могут революционизировать электронику: создать энергонезависимую память, сверхчувствительные датчики или энергоэффективные компоненты для гаджетов.

Следующие шаги

Команда планирует использовать метод функционала плотности для детального изучения 83 материалов и продолжить сотрудничество с лабораторией UMBC для их оптимизации под конкретные задачи.

Исследование открывает путь к созданию новых электронных устройств — от военных сенсоров до долговечных планшетов для студентов.

Дополнительная информация: Peng Yan et al, Data-Enabled Discovery of Two-Dimensional van der Waals Layered Phosphochalcogenides, Chemistry of Materials (2025). DOI: 10.1021/acs.chemmater.5c00678