Технология бестопливной графеновой электрогенерации Neutrinovoltaic основана на многослойном наноматериале из графена и легированного кремния. Этот материал разработали учёные группы компаний Neutrino Energy, которые возглавляет математик Holger Thorsten Schubart, научный руководитель проекта.

Слева: Holger Thorsten Schubart, президент группы компаний Neutrino Energy. Справа: Румянцев Л. К., заместитель председателя научного совета Neutrino Energy.

Многослойный наноматериал является misfit материалом. Misfit материал (от англ. misfit — «неподходящий», «несовпадающий») — это особый класс слоистых кристаллических материалов, в которых отдельные слои имеют несовпадающие параметры кристаллической решётки (различные периоды, углы, симметрию).

Ключевые особенности misfit материала:

1. Несогласованность решёток: Слои с разными параметрами кристаллической структуры «принудительно» совмещаются, создавая внутренние напряжения и уникальные межслоевые границы.
2. Самоорганизация структуры: Несмотря на несоответствие, система формирует устойчивую гетероструктуру за счёт:
   • упругих деформаций слоёв;
   • появления дислокаций несоответствия;
   • модуляции периодичности на границах.
3. Необычные физические свойства: В таких материалах возникают эффекты, невозможные в однородных кристаллах:
   • сверхпроводимость (в некоторых соединениях);
   • spin valley поляризация (связь спина электрона с его положением в зоне Бриллюэна);
   • аномальная электропроводность;
   • квантовые размерные эффекты.

Пример состава: Типичный представитель — соединение графен — кремний. Их решётки имеют разные периоды, но образуют стабильную гетероструктуру с переносом заряда между слоями.

Сложности исследования соединения графен — кремний:

• Трудность получения монокристаллов высокого качества.
• Необходимость точного контроля межслоевых интерфейсов.
• Сложность моделирования электронной структуры из за несоразмерности решёток.

Схематичное изображение misfit материала графен - кремний

Графен-кремниевые материалы с нарушенной кристаллической структурой можно назвать «супергероями» материаловедения. Их «несовершенство», то есть несоответствие кристаллических решёток, придаёт им уникальные свойства, востребованные в передовых энергетических технологиях, в частности в Neutrinovoltaic технологии.

В журнале Physical Review Letters вышла статья, посвящённая новому методу и его применению к несоизмеримым слоям. Статья носит название «Unmasking Charge Transfer in the Misfits: ARPES and Ab Initio Prediction of Electronic Structure in Layered Incommensurate Systems without Artificial Strain». Учёные из Корнеллского университета выяснили, что в определённых сложных квантовых материалах электроны преимущественно остаются в своих первоначальных слоях и не перемещаются между ними. Для этого исследователи создали новую методику вычислений, которая позволяет точно определить, куда электроны движутся, а куда нет, в этих многослойных кристаллах.

Мы говорим о материалах, которые не совпадают по параметрам кристаллической решетки, например, наноматериалы, используемые в нейтриновольтаике. В этих материалах решетки соседних слоев имеют разную периодичность: один слой имеет квадратную сетку, а другой — шестиугольную. Внешне материал кажется однородным, но на атомном уровне слои не могут идеально соединиться. Такие структуры представляют интерес для изучения необычных квантовых явлений.

Долгое время существовало мнение, что значительные изменения энергетических зон в misfit-системах происходят из-за физического перемещения большого количества электронов из одного слоя в другой. Однако исследования ученых из Корнелла показали, что это не так. Они выяснили, что химические связи на границе между несостыкованными слоями вызывают перераспределение электронов внутри каждого слоя и увеличивают количество электронов с высокой энергией. При этом реальное перемещение частиц между слоями оказывается сравнительно небольшим.

Misfit-структуры оказались отличной платформой для тестирования нового метода вычислений. Этот подход основывается на принципе, что электроны в твёрдом теле прежде всего реагируют на своё непосредственное окружение. На микроскопическом уровне электрон можно представить как волну, распространяющуюся по кристаллу. Однако в плотной электронной системе множество волн взаимно нейтрализуются, подобно ряби на поверхности переполненного бассейна. В результате для поведения отдельного электрона ключевое значение имеет локальная среда, а не кристалл в целом. Исследования выявили, что в гексагональном слое увеличивается количество высокоэнергетических электронов, что традиционно объясняли значительным переносом заряда из соседнего слоя. Однако детальные квантово-механические вычисления Неджельски показали, что фактический перенос заряда оказался примерно в шесть раз слабее, чем предполагалось ранее. Большинство электронов просто изменяли своё распределение внутри слоя, практически не выходя за его пределы.

Результаты исследований, проведённых учёными Корнеллского университета, предоставляют дополнительную информацию о процессах, происходящих в многослойном наноматериале, разработанном инженерами и учёными группы компаний Neutrino Energy. Наноматериал работает на основе квантового возбуждения, используя фононы, плазменные возбудители и электроны. Главные преимущества наноструктурированного материала проявляются в трех ключевых аспектах:

1. В данной технологии передача энергии не зависит от макроскопических градиентов. Энергия перемещается через локальный поток импульса и энергии, что обеспечивается плотностью квантованных событий. Эти события происходят в виде дискретных «порций» — квантовых переходов между состояниями системы. Именно плотность этих событий определяет мощность потока энергии. Такой подход исключает коллективное движение макроскопических объектов, что существенно снижает макроскопические потери, такие как трение, теплопроводность и диссипация энергии на дефектах материала.
2. Высокая межфазная плотность предполагает наличие максимального количества границ раздела между слоями на единицу объёма. В многослойных структурах это увеличивает площадь активных поверхностей, взаимодействующих с частицами (например, нейтрино или ядрами), что способствует концентрации энергетических процессов на наноуровне. Параллельные связи играют ключевую роль в этом процессе. Каждый атомный слой действует как активный элемент. Рассеяние нейтрино, ядерные взаимодействия и передача энергии через колебания решётки происходят благодаря плоской параллельной связи, а не традиционной точечной связи. Это существенно повышает эффективность улавливания энергии на единицу объёма. Уникальная архитектура материала, включающая многослойную структуру с параллельными связями, значительно улучшает его способность к улавливанию энергии.
3. Когерентное распространение квантованной вибрации — это еще одно важное свойство. Микроскопические колебания, такие как фононы и плазмонные экситоны, способны распространяться на большие расстояния в двумерных материалах с высокой проводимостью, включая графен. Это позволяет объединять и усиливать множество микроскопических воздействий, преодолевая ограничения, обусловленные низкой энергией отдельных событий. Таким образом, исследование микроскопических процессов misfit материале графен — кремний открывает широкие возможности промышленной реализации бестопливной Neutrinovoltaic технологии электрогенерации.

Авторы: Holger Thorsten Schubart, Румянцев Л.К.

Метки: #Holger_Thorsten_Schubart, #Neutrino_Energy, #нейтриноэлектричество, #бестопливный_генератор, #Neutrinovoltaic, #misfit_материал