Сверхпроводящие двумерные чернила: просто добавь воды

Сверхпроводящие двумерные чернила изобрели ученые из Принстонского университета. Их можно легко хранить, наносить и использовать на практике. Благодаря таким чернилам, проводящим электричество, можно создать электропроводящий узор и нанести микросхемы на гибкие поверхности. Эта технология будет востребована в разных областях — от бытовой электроники до суперкомпьютеров. Оригинал статьи, опубликованной в научном журнале Physics Today, в переводе на русский язык.

Стабильные при комнатной температуре новые чернила могут изменить способ изготовления интегральных схем.

В мире существует множество специализированных чернил. Их делают специально для перьевых ручек, дети играют с самодельными невидимыми чернилами, а ученые создают металлизированные чернила для производства микросхем. Преимущество проводящих чернил в том, что они тоньше проволоки (особенно если толщина чернил составляет всего одну молекулу), и их можно наносить на гибкие поверхности. Им можно найти применение в любой сфере — от бытовой техники до суперкомпьютеров.

Исследования последнего времени были посвящены созданию двумерных сверхпроводящих чернил. Такие чернила могут изменить способ производства микросхем для низкотемпературных сред, например, таких как холодильники для разбавления. 

Были разработаны двумерные, но только полупроводниковые материалы, а также материал, который является двумерным и сверхпроводящим, но стабильным только при использовании защитного покрытия. Эти материалы сложны в изготовлении и для них невозможно наладить эффективное производство.

Сяоюй Сун; ее научный руководитель Лесли Шуп и их коллег не устраивали такие чернила. Они сосредоточились на одном материале: дисульфиде вольфрама. WS ₂ может иметь различные структуры решетки с различными электронными свойствами. Этот материал производился в виде чернил раньше, но в полупроводниковой структурной фазе. 

Было предсказано, что при другом расположении атомов, известном как 1T', WS ₂ будет обладать сверхпроводящими свойствами. Но не было доказано, что предыдущие образцы 1T'-WS ₂ , полученные с помощью механического расщепления, обладают сверхпроводимостью.

Чтобы сделать чернила, исследователи обычно начинают с твердого ионного вещества, которое содержит желаемый материал. Затем это твердое вещество погружают в кислоту для удаления нежелательных компонентов. Однако полученные в результате чернила часто содержат дефекты — монослои в более чем одном расположении атомов. 

Шуп и ее коллеги поняли, что необходимо изменить методы подготовки. Первое отличие заключалось в температуре производства. Они начали с дисульфида вольфрама калия (K _0,5 WS ₂), который дает гораздо меньше дефектов в окончательных чернилах, чем другие возможные ионные твердые вещества. В отличие от предыдущих попыток, они не использовали при подготовке этого ионного твердого вещества комнатную температуру; а применили печь, нагретую до 850 °C. Это привело к упорядоченным кристаллам со всеми слоями WS ₂ в структуре 1T'.

Для удаления ионов калия K _0,5 WS ₂ погружали в разбавленную кислоту и обрабатывали ультразвуком. Сочетание обработки ультразвуком с химическим расщеплением позволило сохранить структуру 1T'. Затем остались только монослои WS ₂.

Этот новый способ дал большой выход металлических чернил при комнатной температуре; чернила становятся сверхпроводящими при температуре ниже 7,3 К (-265 C). Эти слои 1T'-WS ₂  затем помещают в центрифугу, которая заменяет кислоту водой. Чернила в виде водной суспензии могут храниться не менее месяца. 

Хотя это звучит банально, стабильность в воде — самом дешевом растворителе — при комнатной температуре — это большой шаг вперед для 2D-сверхпроводящих чернил.

С помощью применения слоя чернил 1T′-WS ₂ толщиной в одну молекулу можно печатать на некоторых подложках, таких как пластины из кремния и диоксида кремния и стекло с покрытием из оксида индия и олова, а также на гибких подложках, таких как силиконовый эластомер. 

Важно отметить, что эти чернила стабильны при комнатной температуре в течение 30 дней. Схемы можно собирать при комнатной температуре и использовать в условиях низких температур, где возникает сверхпроводимость. 

Эта универсальность открывает для изобретения широкий спектр способов применения, включая интегральные микросхемы и электронные устройства.

Источник: Physics Today