二次元材料

二次元材料は、層状の親結晶から分離された、厚さが原子1個または数個分の結晶性固体であり、単一平面への閉じ込めにより、バルク形態では得られない電子的、光学的、化学的特性を示す。

Definition

二次元材料とは、結晶性固体のシートであり、厚さが原子1層または数層分で、層状の親物質から派生する。親物質では、強い面内結合と弱い層間力が共存しており、個々の層を分離して、明確に閉じ込められた材料として振る舞わせることができる。

Scope

このトピックでは、原子レベルで薄いシートの化学について扱う。代表的なグラフェン、二硫化モリブデンなどの半導体遷移金属ダイカルコゲナイド、六方晶窒化ホウ素、そしてMXeneのような新たなファミリーが含まれる。これらのシートがどのように得られるか（層状結晶の機械的剥離および液相剥離、ボトムアップ成長）、その表面およびエッジ化学、そして二次元への閉じ込めによって生じる特性変化（薄層化による直接バンドギャップの出現など）について論じる。

Core questions

• 単一原子層は層状の親結晶からどのように分離されるのか？
• 層状材料が1層に薄層化されると、特性はどのように変化するのか？
• 二次元シートの表面およびエッジ化学とは何か？
• グラフェン以外にどのような二次元材料のファミリーが存在するのか？

Key concepts

• グラフェン
• 遷移金属ダイカルコゲナイド
• ファンデルワールス層状構造
• 機械的剥離および液相剥離
• 単層バンドギャップクロスオーバー
• エッジおよび表面の官能化

Key theories

層状結晶の剥離

層状固体は、面内では強い結合によって結合されているが、層間では弱いファンデルワールス力によって結合されているため、個々のシートは機械的に剥がしたり、液体中でインターカレーションと超音波処理によって分離したりして、二次元フレークを得ることができる。

次元的閉じ込めと創発的特性

層状結晶を単一シートに還元すると、電子が平面に閉じ込められ、バルクにはない特性が生じる。グラフェンの質量のないキャリア輸送や、遷移金属ダイカルコゲナイドが単層に薄層化されたときに見られる間接-直接バンドギャップクロスオーバーなどがその例である。

Mechanisms

液相剥離では、溶媒分子またはインターカレント分子が層間に浸透して層間引力を低減し、攪拌によって個々のシートが分離される。化学的官能化は、反応性の高いエッジや欠陥部位で優先的に起こり、そこではダングリングボンドが最もアクセスしやすい状態にある。

Clinical relevance

二次元材料は、高移動度で柔軟なエレクトロニクス、透明導体、非常に高い表面感度を持つセンサー、水素発生用電極触媒、選択性膜などの研究対象となっており、導体、半導体、絶縁体のいずれが必要かによって材料の選択が行われる。

History

2004年にノボセロフとガイムが粘着テープを用いてグラファイトを剥離し、単層グラフェンを単離したことは、安定な原子的に薄い結晶が存在しうることを示し、この分野を活性化させた。その後の研究により、他の多くの層状化合物への剥離が拡大され、スケーラブルな液相経路が開発され、二次元材料が広範なファミリーとして確立された。

Key figures

• Andre Geim
• Konstantin Novoselov
• Jonathan Coleman

Seminal works

• novoselov2004
• geim2007
• nicolosi2013

Frequently asked questions

グラフェンはグラファイトと何が違うのか？

グラファイトは、弱いファンデルワールス力によって結合された多数のグラフェン層の積層体である。単一の分離された層であるグラフェンは、電子を二次元に閉じ込めるため、三次元積層体には見られない、非常に高いキャリア移動度などの独特な特性を示す。

二硫化モリブデンはなぜ単層になるとより良い発光体になるのか？

バルク状態の二硫化モリブデンは間接バンドギャップを持つため、発光効率が低い。単層に薄層化されると、閉じ込め効果によってバンド構造が変化し、ギャップが直接的になるため、効率的な光の吸収と発光が可能になる。