Zweidimensionale Materialien

Zweidimensionale Materialien sind kristalline Festkörper, die nur eine oder wenige Atome dick sind und aus geschichteten Ausgangskristallen isoliert werden. Ihre Beschränkung auf eine einzige Ebene verleiht ihnen elektronische, optische und chemische Eigenschaften, die in ihrer Volumenform nicht verfügbar sind.

Definition

Ein zweidimensionales Material ist eine Schicht eines kristallinen Festkörpers, die ein oder wenige Atomlagen dick ist und von einem geschichteten Ausgangsmaterial abgeleitet wird, bei dem starke Bindungen in der Ebene mit schwachen Zwischenschichtkräften koexistieren, sodass einzelne Schichten getrennt werden und sich als eigenständiges, begrenztes Material verhalten können.

Scope

Dieses Thema behandelt die Chemie atomar dünner Schichten: Graphen als Archetyp, die halbleitenden Übergangsmetalldichalkogenide wie Molybdändisulfid, hexagonales Bornitrid und aufkommende Familien wie MXene. Es behandelt, wie solche Schichten gewonnen werden – mechanische und Flüssigphasen-Exfoliation von Schichtkristallen und Bottom-up-Wachstum – ihre Oberflächen- und Kantenchemie sowie die Eigenschaftsänderungen, wie das Auftreten einer direkten Bandlücke bei der Verdünnung, die die Beschränkung auf zwei Dimensionen hervorruft.

Core questions

• Wie werden einzelne Atomlagen aus geschichteten Ausgangskristallen isoliert?
• Wie ändern sich die Eigenschaften, wenn ein geschichtetes Material auf eine Schicht verdünnt wird?
• Was ist die Oberflächen- und Kantenchemie von zweidimensionalen Schichten?
• Welche Familien zweidimensionaler Materialien existieren jenseits von Graphen?

Key concepts

• Graphen
• Übergangsmetalldichalkogenide
• Van-der-Waals-Schichtung
• Mechanische und Flüssigphasen-Exfoliation
• Monolagen-Bandlückenübergang
• Kanten- und Oberflächenfunktionalisierung

Key theories

Exfoliation von Schichtkristallen

Schichtförmige Festkörper werden in der Ebene durch starke Bindungen zusammengehalten, aber zwischen den Schichten durch schwache Van-der-Waals-Kräfte, sodass einzelne Schichten mechanisch abgezogen oder in Flüssigkeiten durch Interkalation und Beschallung getrennt werden können, um zweidimensionale Flocken zu erhalten.

Dimensionale Beschränkung und emergente Eigenschaften

Die Reduzierung eines Schichtkristalls auf eine einzelne Schicht beschränkt Elektronen auf eine Ebene, wodurch Eigenschaften entstehen, die im Volumenmaterial nicht vorhanden sind – Graphens masseloser Ladungsträgertransport und der indirekt-zu-direkt-Bandlückenübergang, der beobachtet wird, wenn Übergangsmetalldichalkogenide zu einer Monolage verdünnt werden.

Mechanisms

Bei der Flüssigphasen-Exfoliation dringen Lösungsmittel- oder Interkalationsmoleküle zwischen die Schichten ein und reduzieren die Zwischenschichtanziehung, sodass eine Agitation einzelne Schichten trennt; chemische Funktionalisierung erfolgt bevorzugt an reaktiven Kanten und Defektstellen, wo freie Valenzen am zugänglichsten sind.

Clinical relevance

Zweidimensionale Materialien werden für hochmobile und flexible Elektronik, transparente Leiter, Sensoren mit sehr hoher Oberflächenempfindlichkeit, Elektrokatalysatoren für die Wasserstoffentwicklung und selektive Membranen untersucht, wobei die Materialwahl davon abhängt, ob ein Leiter, Halbleiter oder Isolator benötigt wird.

History

Die Isolierung von einschichtigem Graphen im Jahr 2004 durch Novoselov und Geim, die Klebeband zur Spaltung von Graphit verwendeten, zeigte, dass ein stabiler atomar dünner Kristall existieren kann und löste das Forschungsfeld aus. Nachfolgende Arbeiten erweiterten die Exfoliation auf viele andere Schichtverbindungen und entwickelten skalierbare Flüssigphasenrouten, wodurch zweidimensionale Materialien als breite Familie etabliert wurden.

Key figures

• Andre Geim
• Konstantin Novoselov
• Jonathan Coleman

Seminal works

• novoselov2004
• geim2007
• nicolosi2013

Frequently asked questions

Was unterscheidet Graphen von Graphit?

Graphit ist ein Stapel vieler Graphenschichten, die durch schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Eine einzelne isolierte Schicht – Graphen – beschränkt ihre Elektronen auf zwei Dimensionen, was ihr ausgeprägte Eigenschaften wie eine extrem hohe Ladungsträgermobilität verleiht, die der dreidimensionale Stapel nicht aufweist.

Warum wird Molybdändisulfid als Einzelschicht ein besserer Lichtemitter?

Im Volumenmaterial hat Molybdändisulfid eine indirekte Bandlücke, was die Lichtemission ineffizient macht. Wenn es zu einer Einzelschicht verdünnt wird, ändert die Beschränkung die Bandstruktur so, dass die Lücke direkt wird, was eine effiziente Absorption und Emission von Licht ermöglicht.