Получено сверхпроводящее
состояние германия при атмосферном давлении
Большинство химических элементов обретают свойства
сверхпроводимости при низких температурах или высоком давлении. До
настоящего времени не удавалось перевести в такое состояние лишь некоторые
из них, например, медь, серебро, золото, а из полупроводников –
германий. Немецкие ученые из Дрезденского научно-исследовательского центра
показали, что высоколегированный германий может переходить в
сверхпроводящее состояние при атмосферном давлении.
Вот так видит художник процесс
получения сверхпроводящего германия. Ионы галлия (показаны синим)
проникают внутрь материала. Образуются куперовские пары (красные), и
германий превращается в сверхпроводник. (Изображение: Sander Münster,
Kunstkosmos) .
Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review
Letters (Superconducting state in a gallium-doped germanium layer at low
temperatures).
При низких температурах беспримесные полупроводники, как
известно, приобретают свойства диэлектриков, а потому для демонстрации
эффекта сверхпроводимости их, очевидно, необходимо легировать. В данной
работе для легирования использовались ионы галлия, которые вводились в
структуру материала методом ионной имплантации. В результате был получен
слой примесного полупроводника толщиной 60 нм, причем на каждые
100 атомов германия в нем приходилось около 6 атомов галлия.
После завершения легирования «поврежденную» кристаллическую решетку
полупроводника необходимо восстановить: для этого поверхность материала
быстро (в течение нескольких миллисекунд) нагревают.
Полученная полупроводниковая структура переходит в
сверхпроводящее состояние при температуре около 0,5 К; ученые,
впрочем, надеются повысить этот показатель путем изменения определенных
параметров ионной имплантации и отжига. Говоря о достоинствах нового
материала, авторы также отмечают необычно высокое значение критического
магнитного поля (максимальной величины напряженности, при которой
магнитное поле еще не проникает в полупроводник) для данной
температуры.
Интересно, что германий, применявшийся для изготовления
первого поколения транзисторов, в настоящее время практически «забыт»
производителями электроники в связи с переходом на кремний. Однако
эксперты предсказывают возможное возрождение интереса к этому материалу,
поскольку на его основе можно создавать более миниатюрные схемы высокого
быстродействия.
Материальные
свидетельства макроскопического квантового туннелирования в
нанопроволоках
Команда исследователей из Университета
Иллинойса в Урбане-Шампэйн (University of
Illinois), США продемонстрировала проявления туннельного
эффекта (макроскопического квантового туннелирования ) для большой
группы электронов в сверхпроводящих нанопроволоках.
Туннельный эффект – явление преодоления
микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия
меньше высоты барьера и имеет исключительно квантовую природу; в
классической механике аналогов ему нет. В данной работе авторы наблюдали
туннелирование больших (около 100 тысяч частиц) групп электронов. При
этом некоторая часть энергии электронов рассеивается в виде тепла, и
изучаемая нанопроволока переходит из сверхпроводящего состояния в
состояние с более высоким сопротивлением, что и было зафиксировано в
эксперименте.
По диаметру созданные авторами для экспериментов
сверхпроводящие нанопроволоки в две тысячи раз тоньше человеческого
волоса. До настоящего эксперимента были известны только результаты
«тунеллирования» отдельных сверхпроводящих электронов. Опыты физиков из
США служат еще одним доказательством того, что законы квантовой механики
распространяются и на достаточно большие системы, в состав которых входят
тысячи сверхпроводящих электронов, функционирующих как
единое целое.
По мнению исследователей, знания, полученные ими в ходе
анализа эффекта туннелирования, могут оказаться весьма полезными при
конструировании квантовых компьютеров. По мнению ученых, прогресс в этом
направлении позволит создавать более совершенные кубиты (элементы
квантовых компьютеров).
Любопытно отметить, что финансирование работ осуществило
Министерство Энергетики США.
Международная группа исследователей под руководством
Ахима Мюллера (Achim Müller) синтезировала кеплерат (Keplerate) из
пятиугольных вольфрам-оксидных блоков, а также изучила свойства нового
объекта.
Рисунок из Chem. Commun., 2009, DOI:
10.1039/b907188a
Кеплераты представляют собой соединения, обладающие
центром тяжести (занятый, определенным атомом или «пустой»), вокруг этого
центра располагаются Платоновы и/или Архимедовы тела. Такое название эти
многогранники получили в честь «Колумба звездного неба» – австрийского
астронома XVI века Иоганна Кеплера, пытавшегося представить «свод небес» в
виде идеального многогранника. Внимание к кеплератам обусловлено как
симметрией их структуры, так и возможностью проявления магнитных свойств.
Мюллер решил изучить, возможно ли «перенастроить» магнитные свойства
кеплератов и строение их поверхности, заменив пятиугольные
молибден-оксидные строительные блоки на вольфрам-оксидные.
Идея Мюллера о пятиугольных строительных блоках была
инспирирована как той ролью, какую эти геометрические фигуры играли в
классической математике (им были посвящены работы Кеплера и Пенроуза), в
архитектуре (из пятиугольников состоят «геодезические купола» Ричарда
Бакминстера Фуллера) и, естественно, в химии (фуллерены и квазикристаллы).
Весьма интересной идея о постройке кеплератов из
пятиугольников кажется и благодаря тому, что в классической химии
фуллеренов невозможно построить каркасные многоугольники только из
пятиугольных фрагментов.
Мюллер продемонстрировал, что сферический кеплерат может
быть получен не только из молибден-оксидных, но и вольфрам-оксидных
структурных элементов, строительные блоки кеплерата объединяются друг с
другом магнитоактивными ионами, что позволяет добиться от материала
желаемых магнитных свойств. Полученная сферическая структура обладает
порами, что потенциально позволит ее использовать в качестве «хозяина» для
различных катионов.
Исследователи из Японии разработали топливную ячейку,
которая может размещаться на чипе и производить энергию за счет различных
спиртов.
Микрокапиллярная топливная ячейка может приводиться в
действие с помощью различных спиртов. (Рисунок из Energy Environ. Sci.,
2009, DOI: 10.1039/b906216e)
Многие исследовательские группы работают над
миниатюризацией обычных топливных ячеек, однако до настоящего времени эти
источники тока не удается совместить с обычными микроэлектронными
устройствами.
Тецуя Осака (Tetsuya Osaka) из Университета Васеда
разработал микрокапиллярную топливную ячейку без насоса-нагнетателя и
мембраны, окислителем топлива которой может являться кислород воздуха.
Новое устройство не состоит из частей – оба его электрода созданы из
одного и того же субстрата, что, несомненно, должно облегчить ее
производство.
Первоначально Осака разработал топливную ячейку,
работающую на метаноле. Метанол подходит для длительного питания топливных
ячеек, поэтому японский ученый изучил возможность применения этанола и
пропанола-2 в качестве топлива. Из трех изученных спиртов наименьшей
токсичностью отличается этанол, однако при окислении 2-пропанола не
образуется моноксида углерода, способного отравить катализатор. Было
обнаружено, что замена метанола на этанол или пропанол практически не
меняет КПД топливной ячейки. Исследователь из Японии внес еще одно
конструкционное изменение в источник тока – заменил кислотный электролит
на фосфатный буфер, при этом переход от кислой к нейтральной среде также
существенно увеличил энергетический выход.
В дальнейших планах Осаки работа над интеграцией новой
топливной ячейки с другими микроприборами, цель такой интеграции –
демонстрация того, что ячейка и прибор могут работать в качестве единой
системы. Исследователь добавляет, что также планирует создание
миниатюрного прибора для определения уровня глюкозы в крови.
Источники:
1. Energy Environ. Sci., 2009, DOI:
10.1039/b906216e 2. ChemPort
Серные наноэлектроды позволили
втрое увеличить ёмкость литиевых аккумуляторов
Ученые разработали новый прототип литиевых
аккумуляторов, емкость которых втрое превышает емкость современных батарей
благодаря использования серы в качестве одного из электродов.
Добиться высокой скорости работы серного катода ученым
удалось, применив нанотехнологический подход с использованием пористого
углеродного материала с высокой электропроводностью. По словам ученых,
продемонстрированный подход к созданию композитных материалов может найти
применение в ряде других областей науки и технологий.
Метод производства катода заключается в заливке
расплавленной серы в поры структуры, построенной из стержней пористого
углерода толщиной всего в 6,5 нанометров. Эти стержни в структуре
разделены пустыми капиллярами толщиной 3–4 нанометра. При заливке сера под
действием капиллярных сил сама собой засасывается в капилляры, где
затвердевает по мере охлаждения. В результате такого процесса сера
равномерно распределяется по структуре из углерода, что позволяет достичь
чрезвычайно большой площади контакта между электропроводящей углеродной
структурой и диэлектрической серой.
«Этот композитный материал обладает емкостью по отношению
к ионам лития, составляющей 80% от емкости чистой серы, что в три раза
превышает емкость катодов литиевых аккумуляторов, используемых в настоящее
время. При этом электрод обладает стабильностью и большой скоростью
работы», – говорит Линда Назар из Университета Ватерлоо, описавшая
новые батареи в статье, принятой к публикации в Nature Materials.
Попытки создать литиево-серные аккумуляторы продолжаются
уже второе десятилетие, так как такой тип батарей отличается значительно
большим количеством запасаемой энергии, а так же дешевизной благодаря
доступности серы. В ходе работы аккумулятора материал катода, который
составляют молекулы серы S8, должен принять в свою структуру ионы лития
Li+, мигрирующие через слой полимерного электролита от второго электрода,
называемого анодом, и электроны.
Трудность создания такого аккумулятора заключается как
раз в изготовлении серного катода – электрода, запасающего и
отдающего ионы лития в процессе разряда и перезарядки соответственно. Для
того, чтобы аккумулятор мог развить большую мощность, катод должен хорошо
проводить электрический ток, однако сера является практически
диэлектриком. Так как сера является диэлектриком и практически не проводит
электрический ток в нормальных условиях, этот процесс идет очень медленно,
что приводит к низкой мощности аккумулятора и очень долгой его
перезарядке.
Тандем для увеличения
эффективности солнечных батарей
Исследователи из Швеции увеличили эффективность работы солнечной
батареи, использующей в качестве основы краситель, более чем в два раза.
Исследователи утверждают, что их система может быть
скомбинирована с более традиционными активированным красителями солнечными
ячейками Гретцеля (Gretzel-type dye-sensitised cells) для
увеличения эффективности конверсии световой энергии в электрическую.
Новый краситель эффективно улавливает солнечный свет.
(Рисунок из Adv. Mater., 2009, DOI: 10.1002/adma.200802461)
Активированные красителями солнечные батареи
[dye-sensitized solar cells (DSSC)] были изобретены Михелем
Гретцелем (Michael Gretzel) и Брайаном О'Реганом (Brian O'Regan) из
Федерального Политехнического Института Лозанны в 1991 году, именно они
представляют собой потенциальную альтернативу традиционным кремниевым
солнечным батареям. Обычно батареи DSSC состоят из светособирающего анода,
на котором энергия света отбирается красителем, передающим электроны
полупроводнику n-типа, покрывающему анод (обычно это TiO2).
Недавно исследователи разработали обратный тип солнечной батареи, в
которой краситель взаимодействует с полупроводником p-типа (оксиды никеля)
на светособирающем катоде [1].
Личенг Сун (Licheng Sun) и Андреас Хагфельдт (Anders
Hagfeldt) из Королевского Института Технологии Стокгольма существенно
увеличили производительность солнечной батареи DSSC p-типа, применив серию
модификаций. Исследователи изменили строение полиароматического соединения
для увеличения эффективности переноса заряда, добившись того, что
возбужденный светом электрон и дырка, которая образуется при его
высвобождении, не рекомбинируют, а перемещаются по цепи, обуславливая
возникновение тока. Также были изменены толщина слоя оксида никеля и
состав электролита [2].
По словам Суна, эти улучшения позволили увеличить
эффективность энергетической конверсии солнечных батарей [incident
photon to current conversion efficiency (IPCE)] до 44%, что
практически вдвое увеличивает эффективность новых устройств по сравнению с
ранее существовавшими катодами p-типа. Очевидный следующий шаг
исследователей – комбинация светочувствительных анода и катода в
«тандемной» солнечной батарее.
В названии статьи[1]
утверждается, что полимер – фуллерид лития
Li4C60 является суперионным проводником. Такое
категорическое утверждение, да еще выложенное в заглавие, говорит о том,
что авторы хорошо понимали, какого масштаба результат выносят на суд
общественности
Суперионные проводники появились
как понятие и термин в конце семидесятых годов прошлого века, хотя с
материалами этого типа экспериментировал еще Фарадей. К суперионным
проводникам относят материалы, являющиеся изоляторами по электронному
току, но с высокой проводимостью по току ионов (от 10-1 –
10-2 См/cм). В некотором смысле это аналоги металлов,
только вместо электронной ферми-жидкости в их решетке налита тяжелая
классическая жидкость ионов, причем, в каждом суперионике – ионов
одного конкретного типа. Второе название материалов этого класса –
твердые электролиты – характеризует их достаточно точно; отличие от
жидких электролитов в том, что в твердых ток переносится только одним
типом ионов, остальные же образуют жесткую кристаллическую решетку. Для
исследователя, привыкшего к объектам физики конденсированного состояния,
материал в чем-то противоестественен. Глядя на крупный, порядка
кубического сантиметра, прозрачный, чуть желтоватый монокристалл
RbAg4I5, невозможно представить себе, что это только
футляр для расплавленной (при комнатной температуре) подрешетки катионов
серебра.
Суперионные проводники имеют
массу применений, наиболее интересные – для конденсаторов
сверхвысокой емкости, которые впервые были использованы в космических
аппаратах Apollo. В литий-ионных батареях самообразующаяся суперионная
пленка предотвращает замыкание катода и анода и саморазряд батареи
электронным током.
Фуллериты известны, наверное,
даже еще шире. Они – производная фуллеренов, о существовании которых
ученые узнали в 1985 году. В ходе исследования свойств сферических
молекул оказалось, что молекулы фуллеренов способны образовывать
соединения с щелочными металлами – фуллериты, которые уже не
молекулы, как фуллерены, а макроскопический материал, обладающий
кристаллической решеткой. Как оказалось, фуллериты могут быть
сверхпроводниками, причем некоторые до довольно высоких (по меркам
классической сверхпроводимости) температур – около 30 К. Но в
целом, фуллерен и его производные оказались скорее чудом природы и
предметом любования, а не чем-то конкретно полезным.
И вот, сообщение о суперионной
проводимости фуллерита связало то, что раньше не имело параллелей ни в
каком контексте.
Правда, если задуматься заранее,
такое можно было предугадать. Большие молекулы фуллерена, соединяясь в
решетку, оставляют достаточно большие полости – “каналы”, по которым
способны передвигаться маленькие подвижные ионы. Но легко ли знать, о чем
нужно задуматься заранее? К тому же с ионной проводимостью не все так
просто. Обычно большие ионы в полости не проходят, но и слишком маленькие
имеют низкую подвижность, т.к. локализуются на стенках “каналов”. Чтобы
ион действительно мог двигаться в решетке, должен быть сбалансирован целый
ряд взаимодействий между ионом и решеткой. В конечном итоге, как часто
бывает, успех (в данном случае высокая проводимость) – в значительной
мере дело случая.
В своем стремлении преподнести
вновь открытый суперионный материал с самой лучшей стороны, авторы грешат
избыточной критикой суперионных проводников, которые были известны до них.
Энергия активации диффузии лития в новом материале, приводимая
авторами – около 200 мэВ, действительно меньше, чем у
“большинства” супериоников (как пишут они), но заметно больше чем у
некоторых высокопроводящих суперионных проводников (например, 50 мэВ
у α-AgI). Аналогично и с проводимостью – у нового материала при
комнатной температуре проводимость 10-2 См/см, а у
рубидий-серебра пентаиодистого, используемого в технике с 70-х
годов – более 1 См/см. Да и вообще в том, что материал удалось
записать в суперионные проводники, есть значительный элемент случайности.
Все остальные фуллериты – металлы, и даже при большой ионной
проводимости они могли бы оказаться лишь в классе т.н. “смешанных
проводников” – материалов, проявляющих и электронную и ионную
проводимость. Li4C60 оказался материалом с
запрещенной зоной полупроводникового типа шириной около 0.77 эВ.
Благодаря этому вблизи комнатной температуры его электропроводность
преимущественно ионная, что и позволило авторам отнести его к суперионным
проводникам.
Пока свойства нового материала
еще слишком мало изучены для того, чтобы можно было прогнозировать его
будущие применения. Но, как правило, все интересное появляется на стыке
областей.
1. M.Riccò et al., Phys. Rev.
Lett. 102, 145901 (2009) 2. http://www.nanonewsnet.ru
Открытие каркасной молекулы, построенной из 60 атомов углерода,
оказалось революционным этапом в развитии химии.
Безуглеродная
молекула-икосаэдр с топологией фуллерена C80. (Рисунок из
Angew. Chem. Int. Ed., 2009, doi: 10.1002/anie.200900342)
Фуллерен
C60 не является единственным представителем этого класса. К
менее стабильным представителям фуллеренов относятся C80,
способные существовать в семи различных структурных вариациях. Тем не
менее, икосаэдрическая форма C80 до сих пор не была получена.
Исследователи из Университета
Регенсбурга под руководством Манфреда Шеера (Manfred Scheer) синтезировали
первый пример неорганического аналога икосаэдрического фуллерена
C80, не содержащего ни одного атома углерода. Как сообщает
Шеер, новая фулереноподобная система, состоящая из неорганических
строительных блоков, может быть получена с помощью агрегации на шаблоне.
Для синтеза нового соединения
исследователи взяли пентафосфаферроцен и хлорид меди. Шаблоном для сборки
служил карборан с псевдо пятилучевой симметрией и размерами около 0.8 нм.
Индивидуальные строительные блоки собирались вокруг карборана с
образованием сферической фуллереноподобной «сверхмолекулы», содержащей
карборан в качестве «гостя». Образовавшийся супрамолекулярный агрегат
состоит из двадцати атомов меди, двенадцати пятичленных фосфорсодержащих
циклов и тридцати шестичленных колец, образованных двумя атомами меди и
четырьмя атомами фосфора. Неорганическая оболочка вступает в электронные
взаимодействия с вложенной молекулой гостя.
Шеер отмечает, что
контролируемая шаблоном самосборка неорганических строительных блоков
представляет собой эффективный способ получения больших сферических
ассоциатов фуллереноподобной топологии. Молекула гостя определяет размеры
и состав продукта организации строительных блоков.
Международные
новости
Большинство химических элементов обретают свойства
сверхпроводимости при низких температурах или высоком давлении. До
настоящего времени не удавалось перевести в такое состояние лишь некоторые
из них, например, медь, серебро, золото, а из полупроводников –
германий. Немецкие ученые из Дрезденского научно-исследовательского центра
показали, что высоколегированный германий может переходить в
сверхпроводящее состояние при атмосферном давлении.
Исследователи из Японии разработали топливную ячейку,
которая может размещаться на чипе и производить энергию за счет различных
спиртов. 
Открытие каркасной молекулы, построенной из 60 атомов углерода,
оказалось революционным этапом в развитии химии. 