Materiais Bidimensionais

Materiais bidimensionais são sólidos cristalinos com apenas um ou poucos átomos de espessura, isolados de cristais parentais em camadas, cujo confinamento a um único plano confere propriedades eletrónicas, óticas e químicas indisponíveis na sua forma maciça.

Definition

Um material bidimensional é uma folha de um sólido cristalino com uma ou poucas camadas atómicas de espessura, derivada de um material parental em camadas no qual uma forte ligação no plano coexiste com forças intercamadas fracas, de modo que as camadas individuais podem ser separadas e comportar-se como um material distinto e confinado.

Scope

Este tópico abrange a química de folhas atomicamente finas: o grafeno como arquétipo, os dicogenetos de metais de transição semicondutores, como o dissulfeto de molibdénio, o nitreto de boro hexagonal e famílias emergentes como os MXenes. Aborda como essas folhas são obtidas — esfoliação mecânica e em fase líquida de cristais em camadas e crescimento "bottom-up" — a sua química de superfície e de borda, e as mudanças de propriedades, como o surgimento de um "band gap" direto no adelgaçamento, que o confinamento a duas dimensões produz.

Core questions

• Como as camadas atómicas únicas são isoladas de cristais parentais em camadas?
• Como as propriedades mudam quando um material em camadas é adelgaçado para uma única camada?
• Qual é a química da superfície e das bordas das folhas bidimensionais?
• Além do grafeno, que famílias de materiais bidimensionais existem?

Key concepts

• Grafeno
• Dicogenetos de metais de transição
• Camadas de van der Waals
• Esfoliação mecânica e em fase líquida
• Crossover de "band gap" em monocamada
• Funcionalização de borda e superfície

Key theories

Esfoliação de cristais em camadas

Sólidos em camadas são mantidos juntos no plano por ligações fortes, mas entre as camadas por forças fracas de van der Waals, de modo que folhas individuais podem ser removidas mecanicamente ou separadas em líquidos por intercalação e sonicação para produzir flocos bidimensionais.

Confinamento dimensional e propriedades emergentes

Reduzir um cristal em camadas a uma única folha confina os eletrões a um plano, produzindo propriedades ausentes no material maciço — o transporte de portadores sem massa do grafeno e o crossover de "band gap" indireto para direto observado quando os dicogenetos de metais de transição são adelgaçados para uma monocamada.

Mechanisms

Na esfoliação líquida, moléculas de solvente ou intercalantes penetram entre as camadas e reduzem a atração intercamadas, de modo que a agitação separa as folhas individuais; a funcionalização química ocorre preferencialmente em bordas reativas e locais de defeito, onde as ligações pendentes são mais acessíveis.

Clinical relevance

Os materiais bidimensionais são estudados para eletrónica de alta mobilidade e flexível, condutores transparentes, sensores com altíssima sensibilidade de superfície, eletrocatalisadores para a evolução de hidrogénio e membranas seletivas, com a escolha do material definida pela necessidade de um condutor, semicondutor ou isolador.

History

O isolamento em 2004 do grafeno de camada única por Novoselov e Geim, que usaram fita adesiva para clivar o grafite, mostrou que um cristal atomicamente fino e estável poderia existir e desencadeou o campo. Trabalhos subsequentes estenderam a esfoliação a muitos outros compostos em camadas e desenvolveram rotas escaláveis em fase líquida, estabelecendo os materiais bidimensionais como uma ampla família.

Key figures

• Andre Geim
• Konstantin Novoselov
• Jonathan Coleman

Seminal works

• novoselov2004
• geim2007
• nicolosi2013

Frequently asked questions

O que torna o grafeno diferente do grafite?

O grafite é um empilhamento de muitas camadas de grafeno mantidas juntas por forças fracas de van der Waals. Uma única camada isolada — o grafeno — confina os seus eletrões a duas dimensões, conferindo-lhe propriedades distintivas, como uma mobilidade de portadores extremamente alta, que o empilhamento tridimensional não apresenta.

Por que o dissulfeto de molibdénio se torna um melhor emissor de luz como uma única camada?

No material maciço, o dissulfeto de molibdénio tem um "band gap" indireto, o que torna a emissão de luz ineficiente. Quando adelgaçado para uma única camada, o confinamento altera a estrutura de bandas de modo que o "gap" se torna direto, permitindo a absorção e emissão eficiente de luz.