İki Boyutlu Malzemeler
İki boyutlu malzemeler, katmanlı ana kristallerden izole edilmiş, yalnızca bir veya birkaç atom kalınlığında kristal yapılı katılardır. Tek bir düzlemle sınırlı olmaları, yığın hallerinde bulunmayan elektronik, optik ve kimyasal özellikler kazandırmaktadır.
Tanım
İki boyutlu bir malzeme, güçlü düzlem içi bağların zayıf katmanlar arası kuvvetlerle bir arada bulunduğu katmanlı bir ana malzemeden türetilmiş, bir veya birkaç atomik katman kalınlığında kristal yapılı bir katı tabakasıdır; bu sayede bireysel katmanlar ayrılabilir ve ayrı, sınırlı bir malzeme olarak davranabilir.
Kapsam
Bu konu, atomik olarak ince tabakaların kimyasını kapsamaktadır: arketip olarak grafen, molibden disülfür gibi yarı iletken geçiş metali dikalkojenitler, hekzagonal bor nitrür ve MXenler gibi yeni ortaya çıkan aileler incelenmektedir. Bu tabakaların nasıl elde edildiği — katmanlı kristallerin mekanik ve sıvı faz eksfoliasyonu ile aşağıdan yukarıya büyüme yöntemleri — yüzey ve kenar kimyaları ile iki boyuta indirgenmenin neden olduğu, inceltme ile doğrudan bant aralığının ortaya çıkması gibi özellik değişiklikleri ele alınmaktadır.
Temel sorular
- Tek atomik katmanlar katmanlı ana kristallerden nasıl izole edilmektedir?
- Katmanlı bir malzeme tek bir katmana inceltildiğinde özellikleri nasıl değişmektedir?
- İki boyutlu tabakaların yüzey ve kenar kimyası nasıldır?
- Grafen dışında hangi iki boyutlu malzeme aileleri bulunmaktadır?
Anahtar kavramlar
- Grafen
- Geçiş metali dikalkojenitler
- van der Waals katmanlaşması
- Mekanik ve sıvı faz eksfoliasyonu
- Tek katman bant aralığı geçişi
- Kenar ve yüzey fonksiyonelleşmesi
Temel kuramlar
- Katmanlı kristallerin eksfoliasyonu
- Katmanlı katılar, düzlem içinde güçlü bağlarla, katmanlar arasında ise zayıf van der Waals kuvvetleriyle bir arada tutulmaktadır; bu nedenle bireysel tabakalar mekanik olarak soyulabilir veya interkalasyon ve sonikasyon yoluyla sıvılarda ayrılarak iki boyutlu pullar elde edilebilmektedir.
- Boyutsal sınırlama ve ortaya çıkan özellikler
- Katmanlı bir kristali tek bir tabakaya indirgemek, elektronları bir düzlemle sınırlayarak yığın halinde bulunmayan özellikler üretmektedir — grafenin kütlesiz taşıyıcı taşınımı ve geçiş metali dikalkojenitler tek bir katmana inceltildiğinde görülen dolaylıdan doğrudan bant aralığına geçiş gibi.
Mekanizmalar
Sıvı eksfoliasyonunda, çözücü veya interkalant moleküller katmanlar arasına nüfuz ederek katmanlar arası çekimi azaltır, böylece ajitasyon bireysel tabakaları ayırmaktadır; kimyasal fonksiyonelleşme, asılı bağların en erişilebilir olduğu reaktif kenarlarda ve kusur bölgelerinde öncelikli olarak meydana gelmektedir.
Klinik önem
İki boyutlu malzemeler, yüksek hareketliliğe sahip ve esnek elektronikler, şeffaf iletkenler, çok yüksek yüzey hassasiyetine sahip sensörler, hidrojen evrimi için elektrokatalizörler ve seçici membranlar için incelenmektedir; malzeme seçimi, bir iletken, yarı iletken veya yalıtkanın gerekip gerekmediğine göre belirlenmektedir.
Tarihçe
Novoselov ve Geim'in 2004 yılında grafitin ayrılması için yapışkan bant kullanarak tek katmanlı grafeni izole etmeleri, kararlı atomik olarak ince bir kristalin var olabileceğini göstermiş ve bu alanı tetiklemiştir. Sonraki çalışmalar, eksfoliasyonu diğer birçok katmanlı bileşiğe genişletmiş ve ölçeklenebilir sıvı faz rotaları geliştirerek iki boyutlu malzemeleri geniş bir aile olarak kabul ettirmiştir.
Öne çıkan isimler
- Andre Geim
- Konstantin Novoselov
- Jonathan Coleman
İlgili konular
Temel eserler
- novoselov2004
- geim2007
- nicolosi2013
Sıkça sorulan sorular
- Grafeni grafitten farklı kılan nedir?
- Grafit, zayıf van der Waals kuvvetleriyle bir arada tutulan birçok grafen katmanının bir yığınıdır. Tek bir izole katman — grafen — elektronlarını iki boyutta sınırlayarak, üç boyutlu yığının göstermediği son derece yüksek taşıyıcı hareketliliği gibi belirgin özellikler kazandırmaktadır.
- Molibden disülfür neden tek katman olarak daha iyi bir ışık yayıcı haline gelmektedir?
- Yığın halinde, molibden disülfür dolaylı bir bant aralığına sahiptir, bu da ışık emisyonunu verimsiz kılmaktadır. Tek bir katmana inceltildiğinde, sınırlama bant yapısını değiştirerek bant aralığının doğrudan hale gelmesini sağlamakta, böylece ışığın verimli bir şekilde soğurulmasına ve yayılmasına olanak tanımaktadır.