Kremík je v súčasnosti jedným z najdôležitejších prvkov. Vzhľadom na to, že je základným materiálom na výrobu polovodičov, nájdeme ho v akejkoľvek elektronike, na akú si len spomenieš.

Po dlhých desaťročiach používania však tento prvok dosiahol svoje limity. Českí vedci teraz prišli s novým prvkom, ktorý by ho mal aspoň čiastočne nahradiť. Na tému upozornila Akadémia vied Českej republiky na svojom webe.

Vlastnosti 2D materiálov nie sú dostatočne preskúmané

Elektronika prechádza neustálym procesom miniaturizácie. Jej základné časti ale kvôli fyzikálnym vlastnostiam kremíku nemôžu byť už omnoho menšie. Aj z toho dôvodu sa vedci z celého sveta uchyľujú k čoraz častejšiemu využívaniu pokročilých 2D materiálov.

AlexanderAlUS/Wikimedia

Nedávno dokonca tím chemických inžinierov z MIT vyvinul nový materiál, ktorý je pevnejší ako oceľ, no ľahký ako plast. Podarilo sa im to dosiahnuť práve za pomoci vývoja novej metódy polymerizácie, ktorá umožňuje polymérom vytvárať 2D listy a zároveň zachovať obrovskú pevnosť. Viac nájdeš v samostatnom článku.

Ako českí vedci uvádzajú v tlačovej správe, štruktúra dvojrozmerných materiálov pripomína pravidelnú sieť s hrúbkou iba jedného jediného atómu. Vo vede o materiáloch sa termín 2D materiál, alebo jednovrstvový materiál vzťahuje na kryštalické pevné látky pozostávajúce z jednej vrstvy atómov.

Hoci sa predpokladá, že existujú desiatky až stovky stabilných jednovrstvových materiálov, ich vlastnosti nie sú dostatočne preskúmané. Prvý a najznámejší z nich je grafén, ktorý bol objavený iba pred 15 rokmi. Mimochodom, grafén bol objavený veľmi kurióznym spôsobom pomocou lepiacej pásky a jeho objavitelia si v roku 2010 za túto prácu vyslúžili Nobelovu cenu za fyziku.

„Existuje ich celá rodina. Okrem grafénu, čo je polokov, sem patria aj izolanty, polovodiče, supravodiče, alebo magnety“ objasňuje Martin Kalbáč z Ústavu fyzikálnej chémie J. Heyrovského AV ČR.

Kalbač sa pri svojej práci so svojimi kolegami zameral na jodid chromitý (CrI3), ktorého štruktúru tvorí jediná vrstva atómov chrómu a jódu hrubá iba približne jeden nanometer.

V rámci výskumu špecialisti z Česka podrobili takýto kryštál vysokému tlaku, 20 GPa a viac, pričom prostredníctvom spektrometra sledovali zmeny magnetického stavu. Ich práca je publikovaná v žurnále Physical Review B.

Pozoruhodné zistenia

Cieľom experimentu bolo poodhaliť, ako sa tento 2D materiál bude správať v rôznych tlakových a teplotných podmienkach. Zrejme aj na ich prekvapenie však objavili úplne nové a nečakané vlastnosti.

Martin Kalbáč; Ústav fyzikálnej chémie J. Heyrovského AV ČR

Ukázalo sa totiž, že pri tlaku 22 GPa materiál prechádza spontánnou magnetizáciou, kedy sa spiny všetkých elektrónov zorientujú do jedného smeru a materiál sa správa ako feromagnet.

Pri tlaku nad 30 Gpa však tento jedinečný materiál začal vykazovať vlastnosti antiferomagnetu. Všetky spiny sa teda usporiadali protichodne a materiál nevykazoval žiadny vonkajší magnetizamus.

Ešte zaujímavejšie však bolo jeho správanie pri pôsobení nízkych teplôt. Medzi 22 až 30 GPa sa totiž jodid chromitý začal správať ako spinové sklo.

„Spiny elektrónov tu môžu zaujať mnoho rôznych usporiadaní, nie sú periodicky usporiadané ako v bežných magnetoch,“ objasňuje Jana Kalbáčová Vejpravová z Karlovej univerzity.

V ľudskej reči to znamená zhruba toľko, že tieto vlastnosti môžu byť obzvlášť užitočné pri výrobe pamätí a iných záznamových zariadení. Na magnetické disky sa totiž dáta ukladajú tým spôsobom, že pri zázname sa vytvorí stabilná orientácie jedného pólu. Tá potom určuje binárnu informáciu (0 a 1), ktorú je následne možné prečítať.

Jodid chromitý, ale i iné podobné 2D materiály, by však mohli v budúcnosti poskytnúť elektronike jednu obrovskú výhodu. Tou je odolnosť voči vonkajšiemu rušeniu a šumom. Vzhľadom na to, že takéto 2D materiálu majú šírku iba jedného atómu, predstavujú cestu k  zvyšovaniu kapacity a zmenšovaniu veľkosti – súčiastky majú viac priestoru pre záznam.

Ako však priznávajú vedci, elektronika sa síce svojej závislosti na kremíku tak skoro nezbaví, avšak vhodným kombinovaním kremíku a 2D materiálov môžu uzrieť svetlo sveta nové zariadenia, ktoré budú mať omnoho lepšie vlastnosti ako tie, ktoré sú postavené výhradne báze kremíku.