Prowadzona przeze mnie działalność naukowa koncentruje się na badaniach podstawowych w obszarze fizykochemii powierzchni i nanostruktur. Od kilku lat przedmiotem moich głównych badań są nowe materiały dwuwymiarowe (2D) podobne do grafenu. Materiały te znane są jako Xeny, mówi prof. Mariusz Krawiec z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, odpowiedzialny za projekt „Emergentne materiały Diraca na bazie anizotropowych heterostruktur Si-Au”.
– W swojej obecnej pracy wykorzystuję narzędzia teoretyczne, głównie obliczenia z pierwszych zasad w ramach teorii funkcjonału gęstości. Jednak rola eksperymentatora nie jest mi obca, gdyż przez pewien czas zajmowałem się pomiarami techniką skaningowej mikroskopii tunelowej (STM).
Projekt, o którym mowa, zamierza połączyć podstawowy materiał dwuwymiarowy – silicen z jednowymiarowo uporządkowanym podłożem – schodkowymi powierzchniami Si pokrytymi warstwami Au, aby uzyskać nowoczesne materiały z silnie anizotropowymi charakterystykami.
Silicen – to krzemowy odpowiednik grafenu. Posiada on wiele cech wspólnych z grafenem, jak struktura atomowa, czy właściwości elektronowe. Główną jego zaletą jest prostota jego funkcjonalizowania, co otwiera przed nim bardzo szerokie perspektywy w zastosowaniach, m.in. w elektronice przyszłej generacji. Nie chodzi tylko o funkcjonalizowanie, ale także o problem integracji z obecną elektroniką, która de facto oparta jest na krzemie. Pierwsze próby budowy tranzystorów polowych opartych na silicenie zostały zakończone sukcesem, co tylko potwierdza jego możliwości.
Czym charakteryzują się materiały dwuwymiarowe?
– Materiały dwuwymiarowe, to obiekty o grubości pojedynczej warstwy atomowej. Elementarne materiały 2D składają się z atomów jednego pierwiastka chemicznego. Najbardziej znany przykład to grafen, który może być łatwo wyizolowany z grafitu. Można powiedzieć, że atomy w grafenie tworzą strukturę typu plastra miodu. Generalnie wszystkie materiały 2D z grupy czternastej układu okresowego pierwiastków chemicznych, czyli te, które leżą poniżej węgla, tzn. krzem, german, cyna, czy nawet ołów – mają bardzo podobną strukturę atomową. Materiały te są bardzo cienkie, charakteryzują się dużym stosunkiem powierzchni do objętości, dlatego można bardzo łatwo modyfikować ich właściwości, strukturalne, elektronowe, optyczne, etc.
– Okazało się, że w grafenie właściwości elektronowe, które możemy wykorzystać we wszelkich zastosowaniach technologicznych np. w elektronice, mają zupełnie inne charakterystyki niż w przypadku typowych materiałów, głównie półprzewodników, które obecnie wykorzystujemy.
– Ja w swoich obecnie prowadzonych badaniach koncentruję się głównie na tworzeniu złożonych struktur silicenu i poszukiwaniu nowych, często egzotycznych zjawisk oraz właściwości fizykochemicznych otrzymanych materiałów 2D.
Niezwykle istotną kwestią jest także cel związany z projektem Pana Profesora. Celem projektu jest określenie mechanizmów odpowiedzialnych za tworzenie i modyfikowanie egzotycznych anizotropowych wzbudzeń fermionowych w nowoczesnych materiałach w postaci złożonych heterostruktur Si-Au
– Celem jest wytworzenie struktur krzemowo-złotych, w których będą realizowały się nowe właściwości, których nie możemy zaobserwować w poszczególnych składnikach. Tutaj bardzo ważnym słowem jest emergentność, czyli pojawienie się jakościowo nowych właściwości na kolejnym etapie złożoności. Podam przykład z życia. Wyobraźmy sobie wodę. Możemy o niej powiedzieć, że jest mokra. Jeżeli natomiast weźmiemy poszczególne cząsteczki wody, to z pewnością nie możemy powiedzieć o nich, że są mokre, ponieważ ta cecha jest charakterystyczna dla układów, w których jest dużo cząstek. Tego samego oczekuję w przypadku moich struktur. Moje podłoże anizotropowe w postaci powierzchni schodkowych ma pewne właściwości. Materiał dwuwymiarowy – silicen, też ma pewne charakterystyczne właściwości. Jeśli teraz połączę te dwa obiekty, to oczekuję nowych cech, które nie są dostępne dla poszczególnych składników. Pojawiają się nowe właściwości elektronowe. Spodziewam się, że dostaniemy cechy charakterystyczne dla materiałów dwuwymiarowych typu Diraca, a dodatkowo będą one silnie zależały od kierunku w przestrzeni, kończy naukowiec.
Sebastian Wach
