南乌拉尔国立大学多组分功能材料多尺度建模实验室的研究团队在理解二维碳化硅的性质方面取得了重要进展。科学家们研究了这种材料单层中的点缺陷（空位）如何影响其电子和磁性。这项工作对于纳米电子学和自旋电子学的发展至关重要。
“这项研究是致力于研究所谓‘四元键’性质的大型基础项目的一部分——‘四元键’是由碳亚族原子（碳、硅、锗和锡）形成的非共价相互作用，”项目负责人、多组分功能材料多尺度建模实验室（以下简称MMMFM实验室——编者注）首席研究员叶卡捷琳娜·巴尔塔舍维奇解释道。 “理解这些弱原子间相互作用对于预测硅碳材料的性质至关重要：从基于此类材料的吸附剂保留功能重要分子的能力，到界面表面化学反应的活化，都离不开对它们的研究。
我们尝试着重研究化学键的性质，以预测硅碳材料与各种组分之间的强弱相互作用。我们的研究重点是缺陷——即连续碳化硅网络中缺少原子的情况。我们发现，有时这种‘空位’会使材料更具活性，而有时则相反，结构会重排并‘自我修复’，从而无法实现所需的活化。”
这项研究的关键成果是理解了缺陷单层中磁性产生的机制。该项目的合作者，物理学家谢尔盖·索济金和弗拉基米尔·齐雷尔松利用量子化学建模证明，这种效应从根本上取决于被移除原子的类型。
如果从晶格中移除一个硅原子，相邻的碳原子会进入具有未成对电子的激发态。这会导致形成稳定的自旋极化态——材料获得局域磁性。
如果晶格失去一个碳原子，其结构通常会重排，形成新的化学键，磁性也会被抑制。
“我们已经证明，磁性的出现不能简单地用缺陷的存在来描述。必须考虑电子密度是如何重新分布的。硅空位是‘开启’二维碳化硅磁性的有效途径，”纳米尺度系统物理系副教授、创新部高级研究员谢尔盖·索济金博士评论道。
谢尔盖·索济金是量子化学、晶体化学和化学键理论专家，拥有物理和数学博士学位，是俄罗斯化学技术大学量子化学系主任，他在这项研究中发挥了重要作用。弗拉基米尔·齐雷尔松教授是门捷列夫物理数学研究所物理与数学系主任，也是该研究所的成员。他开发并提出的电子描述符不仅使科学家们能够模拟具有二维周期性的硅碳单层的行为，而且还有助于更精确地预测材料的性质。
“现阶段，我们最感兴趣的是预测这种二维结构中硅原子和碳原子增强的反应活性。我们已经能够预测缺陷将如何与各种有机分子相互作用，”叶卡捷琳娜·巴尔塔舍维奇补充道。
该团队强调，这项工作的主要挑战，同时也是其主要优势，在于理论与实验的结合。研究人员常常缺乏实验数据来验证他们复杂的模型。科学家们乐于合作，并正在寻求与物理化学实验小组合作，以检验他们的预测，并共同推进新型混合材料的研发。
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这些数据为碳化硅单层在纳米电子学和自旋电子学领域的应用开辟了前景，在这些领域，原子尺度的自旋态控制至关重要。传统上被视为有害结构缺陷的缺陷，如今可以被视为一种精细调控未来材料功能特性的工具。
基于这项研究，题为“揭示具有Si/C空位的碳化硅单层的电子特性”的文章发表于《物理化学化学物理》（Physical Chemistry Chemical Physics）期刊，该期刊在Scopus数据库中排名Q2，在白名单中排名K2。