Material Dua Dimensi

Material dua dimensi adalah padatan kristalin setebal satu atau beberapa atom, diisolasi dari kristal induk berlapis, yang pembatasannya pada satu bidang tunggal memberikan sifat elektronik, optik, dan kimia yang tidak tersedia dalam bentuk curahnya.

Definition

Material dua dimensi adalah lembaran padatan kristalin setebal satu atau beberapa lapisan atom, berasal dari induk berlapis di mana ikatan kuat dalam bidang hidup berdampingan dengan gaya antar-lapisan yang lemah, sehingga lapisan individu dapat dipisahkan dan berperilaku sebagai material yang berbeda dan terbatas.

Scope

Topik ini mencakup kimia lembaran setipis atom: grafena sebagai arketipe, dikalkogenida logam transisi semikonduktor seperti molibdenum disulfida, boron nitrida heksagonal, dan keluarga yang muncul seperti MXene. Ini membahas bagaimana lembaran tersebut diperoleh — pengelupasan mekanis dan fase cair dari kristal berlapis dan pertumbuhan bottom-up — kimia permukaan dan tepinya, serta perubahan sifat, seperti munculnya celah pita langsung saat penipisan, yang dihasilkan oleh pembatasan dua dimensi.

Core questions

• Bagaimana lapisan atom tunggal diisolasi dari kristal induk berlapis?
• Bagaimana sifat berubah ketika material berlapis ditipiskan menjadi satu lapisan?
• Bagaimana kimia permukaan dan tepi lembaran dua dimensi?
• Selain grafena, keluarga material dua dimensi apa saja yang ada?

Key concepts

• Grafena
• Dikalkogenida logam transisi
• Pelapisan van der Waals
• Pengelupasan mekanis dan fase cair
• Crossover celah pita monolayer
• Fungsionalisasi tepi dan permukaan

Key theories

Pengelupasan kristal berlapis

Padatan berlapis disatukan dalam bidang oleh ikatan kuat tetapi di antara lapisan oleh gaya van der Waals yang lemah, sehingga lembaran individu dapat dikupas secara mekanis atau dipisahkan dalam cairan melalui interkalasi dan sonikasi untuk menghasilkan serpihan dua dimensi.

Pembatasan dimensi dan sifat yang muncul

Mengurangi kristal berlapis menjadi satu lembaran membatasi elektron ke satu bidang, menghasilkan sifat yang tidak ada dalam bentuk curah — transportasi pembawa massa-nol grafena dan crossover celah pita tidak langsung ke langsung yang terlihat ketika dikalkogenida logam transisi ditipiskan menjadi monolayer.

Mechanisms

Dalam pengelupasan cair, molekul pelarut atau interkalan menembus di antara lapisan dan mengurangi daya tarik antar-lapisan sehingga agitasi memisahkan lembaran individu; fungsionalisasi kimia terjadi secara preferensial pada tepi reaktif dan situs cacat, di mana ikatan gantung paling mudah diakses.

Clinical relevance

Material dua dimensi dipelajari untuk elektronik mobilitas tinggi dan fleksibel, konduktor transparan, sensor dengan sensitivitas permukaan yang sangat tinggi, elektrokatalis untuk evolusi hidrogen, dan membran selektif, dengan pilihan material ditentukan oleh apakah diperlukan konduktor, semikonduktor, atau isolator.

History

Isolasi grafena lapisan tunggal pada tahun 2004 oleh Novoselov dan Geim, yang menggunakan selotip untuk membelah grafit, menunjukkan bahwa kristal setipis atom yang stabil dapat ada dan memicu bidang ini. Pekerjaan selanjutnya memperluas pengelupasan ke banyak senyawa berlapis lainnya dan mengembangkan rute fase cair yang dapat diskalakan, menjadikan material dua dimensi sebagai keluarga yang luas.

Key figures

• Andre Geim
• Konstantin Novoselov
• Jonathan Coleman

Seminal works

• novoselov2004
• geim2007
• nicolosi2013

Frequently asked questions

Apa yang membedakan grafena dari grafit?

Grafit adalah tumpukan banyak lapisan grafena yang disatukan oleh gaya van der Waals yang lemah. Lapisan tunggal yang terisolasi — grafena — membatasi elektronnya ke dua dimensi, memberikannya sifat khas seperti mobilitas pembawa yang sangat tinggi yang tidak ditunjukkan oleh tumpukan tiga dimensi.

Mengapa molibdenum disulfida menjadi pemancar cahaya yang lebih baik sebagai lapisan tunggal?

Dalam bentuk curah, molibdenum disulfida memiliki celah pita tidak langsung, yang membuat emisi cahaya tidak efisien. Ketika ditipiskan menjadi lapisan tunggal, pembatasan mengubah struktur pita sehingga celah menjadi langsung, memungkinkan penyerapan dan emisi cahaya yang efisien.