Кислород поможет «залечить» дефекты в структуре двумерных материалов

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Surfaces and Interfaces.

Двумерные материалы на основе тройных нитридов — соединений азота с двумя металлами — перспективны как основа устройств солнечной энергетики и как катализаторы для фотоэлектрохимического получения водородного топлива. Это связано с тем, что тройные нитриды, в частности, те, в которых один из металлов — цинк, хорошо проводят заряд и способны преобразовывать солнечную энергию в электричество. Однако до сих пор оставалось неясным, как такие соединения ведут себя в реальных условиях эксплуатации, в частности, как на них влияет влага и кислород воздуха, особенно когда в структуре материала появляются дефекты, ухудшающие их электронные характеристики.

Ученый из Уфимского университета науки и технологий (Уфа) с помощью компьютерного моделирования исследовал взаимодействие молекул кислорода и воды с поверхностью трех материалов. Все они имели в своем составе атомы азота и цинка, но отличались третьим элементом, которым был ванадий, ниобий или тантал. При этом исследователь смоделировал материалы как в «идеальном» состоянии, так и с искусственно созданными дефектами, когда в кристаллической решетке вещества отсутствовали отдельные атомы азота или цинка. Автор провел квантово-химические расчеты, которые позволяют определить, как в молекуле распределяется заряд и как ведут себя отдельные атомы вещества при взаимодействии с другими соединениями.

Моделирование показало, что молекулы кислорода активно связываются с дефектами в материалах, особенно там, где не хватает атомов азота. Кислород не просто «прилипает» к поверхности — его молекулы распадаются на отдельные атомы, которые заполняют пустоты в кристаллической решетке. При этом энергия связи атомов кислорода и атомов кристаллической решетки достаточно высокая, что говорит о прочности вновь образующихся связей. Интересно, что этот процесс происходит без какого-либо дополнительного воздействия при комнатной температуре.

Участки связывания молекул кислорода и воды на монослое тройного нитрида цинка с ванадием, в котором дефекты связаны с отсутствием атомов азота (а) или цинка (b) / © А.А. Kistanov / Surfaces and Interfaces, 2025

Согласно расчетам, особенно активно кислород взаимодействует с нитридом цинка с ванадием. В этом соединении атомы ванадия активно «притягивают» кислород, образуя наиболее прочные химические связи. Анализ электронной структуры показал, что после взаимодействия с кислородом материал, имеющий дефекты, практически полностью восстанавливает свои первоначальные свойства.

Также оказалось, что молекулы воды примерно в четыре раза слабее, чем кислород, связываются с поверхностью материалов (как с дефектами, так и без них) и не вызывают изменений в их структуре. Это наблюдение говорит о том, что под действием влажности материалы не разрушаются, однако и дефекты в них не восстанавливаются.

Тестовые образцы тройных нитридов цинка, которые получены при отрабатывании процесса синтеза / © Андрей Кистанов, пресс-служба РНФ

«Моделирование показало, что исследованные материалы могут самостоятельно восстанавливаться при контакте с воздухом, что критически важно для их практического применения. Например, в солнечных элементах это позволит увеличить срок службы без потери эффективности. Кроме того, управляя дефектами, мы можем настраивать свойства материала для конкретных задач, будь то преобразование энергии или катализ.

В дальнейшем мы планируем при помощи приборного моделирования оценить эксплуатационные характеристики тройных нитридов цинка в качестве компонентов микроэлектроники, а также с использованием технологии магнетронного распыления синтезировать исследованные тройные нитриды цинка», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Кистанов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории «Металлы и сплавы при экстремальных воздействиях» Уфимского университета науки и технологий.