Учёные создали 3D-материал с электронными свойствами графена для зелёных вычислений

Квази-2D зоны и поверхности Ферми в 3D C40 HfSn₂. Автор: Matter (2026). DOI: 10.1016/j.matt.2025.102578

Исследователи из Ливерпульского университета открыли способ воспроизвести ключевые свойства графена в трёхмерном (3D) материале, что потенциально устраняет препятствия для их масштабного использования в «зелёных» вычислениях. Работа опубликована в журнале Matter.

Графен известен своей невероятной прочностью, лёгкостью и отличной электропроводностью, а его применение варьируется от электроники до аэрокосмических и медицинских технологий. Однако его двумерная (2D) структура делает его механически хрупким и ограничивает использование в требовательных условиях и в крупномасштабных приложениях.

Трёхмерный материал имитирует графен

В статье, опубликованной сегодня, команда исследователей обнаружила, что 3D-материал HfSn₂ имитирует быстрый, двумерный поток электронов графена. Это революционное открытие открывает возможности для проектирования материалов, которые более стабильны, но при этом демонстрируют продвинутое низкоэнергетическое электронное поведение. Такие материалы привлекательны для создания устройств следующего поколения для низкоэнергетической логики и спинтроники, которые являются центральными для будущих вычислительных технологий.

Работой совместно руководили доктор Джонатан Алария (физика) и профессор Мэтью Россински (химия), что подчёркивает важнейший синергизм между физикой и химией, лежащий в основе этого открытия. Команда использовала комбинацию теоретического моделирования и экспериментов на высококачественных монокристаллах, выращенных в лаборатории. Исследователи показали, что HfSn₂ содержит слои сотовой структуры, расположенные в трёх измерениях в особой хиральной укладке (аналогичной скручиванию в ДНК). Такое расположение сохраняет уникальное электронное поведение, обычно наблюдаемое только в 2D-материалах.

Эти сотовые слои также позволяют материалу содержать точки Вейля — необычные точки в электронной структуре, которые могут кардинально повысить лёгкость движения электронов. В результате электроны в HfSn₂ ведут себя так, как если бы они перемещались в 2D-материале, хотя сама структура является полностью трёхмерной.

Отделение структуры от электронного поведения

Ключевой вывод статьи заключается в том, что движение электронов в HfSn₂ может вести себя как 2D-система, даже несмотря на то, что атомы образуют прочную 3D-сеть. Это означает, что электронное поведение можно отделить от фактической структуры материала. Это также показывает, что производительность, подобная 2D, возможна в материалах, которые гораздо более прочны, чем типичные слоистые кристаллы.

Исследование HfSn₂ демонстрирует, как тщательный контроль химических связей и паттернов укладки в прямом физическом пространстве можно использовать для настройки электронного поведения в энергетически-импульсном пространстве.

Исследователи отмечают широкие перспективы

Доктор Джонатан Алария, старший преподаватель физики в Ливерпульском университете, заявил:

«Наша работа показывает, что двумерный электронный транспорт может быть реализован в полностью трёхмерном материале. Демонстрация этого потребовала проведения сложных физических экспериментов в экстремальных условиях в тесном сотрудничестве с нашими коллегами-химиками. Эта синергия была жизненно важна, и мы смогли раскрыть эти новые концепции, только объединив теоретическое моделирование, выращивание кристаллов и измерения транспорта в сильных полях».

Профессор Мэтт Россински заключил:

«Мы спросили себя: должны ли материалы быть двумерными, чтобы вести себя как графен, или мы можем создать графеноподобные свойства в совершенно других типах материалов с более высокими структурными измерениями? Эти результаты показывают силу химии в создании контр-интуитивных свойств путём управления атомными расположениями, определяющими функцию, и предполагают, что могут существовать более широкие возможности для создания двумерной высокой подвижности для низкоэнергетических электронных устройств без зависимости от структурно-слоистых материалов».

ИИ: Это открытие может стать важным шагом на пути к созданию более энергоэффективной и стабильной электроники, что особенно актуально в эпоху стремительного развития ИИ и больших данных, требующих огромных вычислительных мощностей. Возможность использовать преимущества графена в прочных 3D-структурах открывает путь к практическому применению в промышленных масштабах.