Matériaux bidimensionnels

Les matériaux bidimensionnels sont des solides cristallins d'une seule ou de quelques épaisseurs atomiques, isolés de cristaux parents stratifiés, dont le confinement à un seul plan confère des propriétés électroniques, optiques et chimiques qui ne sont pas disponibles sous leur forme massive.

Definition

Un matériau bidimensionnel est un feuillet d'un solide cristallin d'une seule ou de quelques couches atomiques d'épaisseur, dérivé d'un matériau parent stratifié dans lequel une forte liaison dans le plan coexiste avec de faibles forces intercouches, de sorte que les couches individuelles peuvent être séparées et se comporter comme un matériau distinct et confiné.

Scope

Ce sujet couvre la chimie des feuillets atomiquement minces : le graphène comme archétype, les dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs tels que le disulfure de molybdène, le nitrure de bore hexagonal, et les familles émergentes comme les MXènes. Il aborde la manière dont ces feuillets sont obtenus — exfoliation mécanique et en phase liquide de cristaux stratifiés et croissance ascendante (bottom-up) — leur chimie de surface et de bord, ainsi que les changements de propriétés, tels que l'émergence d'une bande interdite directe lors de l'amincissement, que le confinement à deux dimensions produit.

Core questions

• Comment les couches atomiques uniques sont-elles isolées des cristaux parents stratifiés ?
• Comment les propriétés changent-elles lorsqu'un matériau stratifié est aminci jusqu'à une seule couche ?
• Quelle est la chimie de surface et de bord des feuillets bidimensionnels ?
• Au-delà du graphène, quelles familles de matériaux bidimensionnels existent ?

Key concepts

• Graphène
• Dichalcogénures de métaux de transition
• Stratification de van der Waals
• Exfoliation mécanique et en phase liquide
• Transition de bande interdite en monocouche
• Fonctionnalisation des bords et de la surface

Key theories

Exfoliation des cristaux stratifiés

Les solides stratifiés sont maintenus ensemble dans le plan par des liaisons fortes, mais entre les couches par de faibles forces de van der Waals, de sorte que les feuillets individuels peuvent être détachés mécaniquement ou séparés dans des liquides par intercalation et sonication pour donner des flocons bidimensionnels.

Confinement dimensionnel et propriétés émergentes

La réduction d'un cristal stratifié à un seul feuillet confine les électrons à un plan, produisant des propriétés absentes dans le matériau massif — le transport de porteurs sans masse du graphène et la transition de bande interdite indirecte à directe observée lorsque les dichalcogénures de métaux de transition sont amincis jusqu'à une monocouche.

Mechanisms

Dans l'exfoliation en phase liquide, les molécules de solvant ou d'intercalant pénètrent entre les couches et réduisent l'attraction intercouche, de sorte que l'agitation sépare les feuillets individuels ; la fonctionnalisation chimique se produit préférentiellement aux bords réactifs et aux sites de défauts, où les liaisons pendantes (dangling bonds) sont les plus accessibles.

Clinical relevance

Les matériaux bidimensionnels sont étudiés pour l'électronique à haute mobilité et flexible, les conducteurs transparents, les capteurs à très haute sensibilité de surface, les électrocatalyseurs pour la production d'hydrogène et les membranes sélectives, le choix du matériau étant déterminé par la nécessité d'un conducteur, d'un semi-conducteur ou d'un isolant.

History

L'isolement en 2004 du graphène monocouche par Novoselov et Geim, qui ont utilisé du ruban adhésif pour cliver le graphite, a montré qu'un cristal atomiquement mince et stable pouvait exister et a déclenché le développement de ce domaine. Les travaux ultérieurs ont étendu l'exfoliation à de nombreux autres composés stratifiés et ont développé des voies en phase liquide évolutives, établissant ainsi les matériaux bidimensionnels comme une vaste famille.

Key figures

• Andre Geim
• Konstantin Novoselov
• Jonathan Coleman

Seminal works

• novoselov2004
• geim2007
• nicolosi2013

Frequently asked questions

Qu'est-ce qui différencie le graphène du graphite ?

Le graphite est un empilement de nombreuses couches de graphène maintenues ensemble par de faibles forces de van der Waals. Une seule couche isolée — le graphène — confine ses électrons à deux dimensions, lui conférant des propriétés distinctives, telles qu'une mobilité des porteurs extrêmement élevée, que l'empilement tridimensionnel ne présente pas.

Pourquoi le disulfure de molybdène devient-il un meilleur émetteur de lumière sous forme de monocouche ?

Dans sa forme massive, le disulfure de molybdène possède une bande interdite indirecte, ce qui rend l'émission de lumière inefficace. Lorsqu'il est aminci jusqu'à une seule couche, le confinement modifie la structure de bande de sorte que la bande interdite devient directe, permettant une absorption et une émission de lumière efficaces.