Двумерные материалы

Двумерные материалы — это кристаллические твердые тела толщиной всего в один или несколько атомов, выделенные из слоистых исходных кристаллов, чье ограничение одной плоскостью придает им электронные, оптические и химические свойства, недоступные в их объемной форме.

Definition

Двумерный материал — это слой кристаллического твердого тела толщиной в один или несколько атомных слоев, полученный из слоистого исходного материала, в котором сильные внутриплоскостные связи сосуществуют со слабыми межслоевыми силами, так что отдельные слои могут быть разделены и вести себя как отдельный, ограниченный материал.

Scope

Эта тема охватывает химию атомарно тонких слоев: графен как архетип, полупроводниковые дихалькогениды переходных металлов, такие как дисульфид молибдена, гексагональный нитрид бора, и новые семейства, такие как MXenes. В ней рассматривается, как такие слои получают — механическое и жидкофазное расслоение слоистых кристаллов и синтез «снизу вверх» — их поверхностная и краевая химия, а также изменения свойств, такие как появление прямой запрещенной зоны при истончении, которые возникают при ограничении двумя измерениями.

Core questions

• Как отдельные атомные слои выделяются из слоистых исходных кристаллов?
• Как меняются свойства, когда слоистый материал истончается до одного слоя?
• Какова химия поверхности и краев двумерных слоев?
• Помимо графена, какие семейства двумерных материалов существуют?

Key concepts

• Графен
• Дихалькогениды переходных металлов
• Ван-дер-ваальсова слоистость
• Механическое и жидкофазное расслоение
• Переход запрещенной зоны в монослое
• Функционализация краев и поверхности

Key theories

Расслоение слоистых кристаллов

Слоистые твердые тела удерживаются в плоскости сильными связями, но между слоями — слабыми силами Ван-дер-Ваальса, поэтому отдельные слои могут быть механически отслоены или разделены в жидкостях путем интеркаляции и ультразвуковой обработки для получения двумерных чешуек.

Размерное ограничение и возникающие свойства

Уменьшение слоистого кристалла до одного слоя ограничивает электроны плоскостью, создавая свойства, отсутствующие в объемном материале — транспорт безмассовых носителей в графене и переход непрямой запрещенной зоны в прямую, наблюдаемый при истончении дихалькогенидов переходных металлов до монослоя.

Mechanisms

При жидкофазном расслоении молекулы растворителя или интеркалянта проникают между слоями и уменьшают межслоевое притяжение, так что перемешивание разделяет отдельные слои; химическая функционализация происходит преимущественно на реактивных краях и дефектных участках, где наиболее доступны оборванные связи.

Clinical relevance

Двумерные материалы исследуются для создания высокоподвижной и гибкой электроники, прозрачных проводников, датчиков с очень высокой поверхностной чувствительностью, электрокатализаторов для выделения водорода и селективных мембран, при этом выбор материала определяется тем, требуется ли проводник, полупроводник или изолятор.

History

Выделение однослойного графена Новоселовым и Геймом в 2004 году, которые использовали клейкую ленту для расщепления графита, показало, что стабильный атомарно тонкий кристалл может существовать, и положило начало этой области. Последующие работы распространили расслоение на многие другие слоистые соединения и разработали масштабируемые жидкофазные методы, утвердив двумерные материалы как широкое семейство.

Key figures

• Andre Geim
• Konstantin Novoselov
• Jonathan Coleman

Seminal works

• novoselov2004
• geim2007
• nicolosi2013

Frequently asked questions

Чем графен отличается от графита?

Графит — это стопка множества слоев графена, удерживаемых вместе слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Отдельный изолированный слой — графен — ограничивает свои электроны двумя измерениями, что придает ему отличительные свойства, такие как чрезвычайно высокая подвижность носителей, которые не проявляются в трехмерной стопке.

Почему дисульфид молибдена становится лучшим излучателем света в виде одного слоя?

В объемном состоянии дисульфид молибдена имеет непрямую запрещенную зону, что делает излучение света неэффективным. При истончении до одного слоя ограничение изменяет зонную структуру так, что запрещенная зона становится прямой, что позволяет эффективно поглощать и излучать свет.