Vật liệu hai chiều

Vật liệu hai chiều là các chất rắn tinh thể chỉ dày một hoặc vài nguyên tử, được tách ra từ các tinh thể mẹ dạng lớp. Sự giới hạn trong một mặt phẳng duy nhất mang lại cho chúng các tính chất điện tử, quang học và hóa học không có ở dạng khối.

Definition

Vật liệu hai chiều là một tấm chất rắn tinh thể dày một hoặc vài lớp nguyên tử, có nguồn gốc từ vật liệu mẹ dạng lớp, trong đó liên kết mạnh trong mặt phẳng cùng tồn tại với lực liên lớp yếu, cho phép các lớp riêng lẻ có thể được tách ra và hoạt động như một vật liệu riêng biệt, bị giới hạn.

Scope

Chủ đề này bao gồm hóa học của các tấm vật liệu mỏng ở cấp độ nguyên tử: graphene như một nguyên mẫu, các dichalcogenide kim loại chuyển tiếp bán dẫn như molypden disulfide, boron nitride lục giác, và các họ vật liệu mới nổi như MXene. Nó đề cập đến cách các tấm vật liệu này được tạo ra — bóc tách cơ học và bóc tách pha lỏng từ các tinh thể dạng lớp và phương pháp tăng trưởng từ dưới lên — hóa học bề mặt và cạnh của chúng, và những thay đổi về tính chất, chẳng hạn như sự xuất hiện của khe năng lượng trực tiếp khi làm mỏng, mà sự giới hạn trong hai chiều tạo ra.

Core questions

• Làm thế nào để tách các lớp nguyên tử đơn lẻ từ các tinh thể mẹ dạng lớp?
• Các tính chất thay đổi như thế nào khi vật liệu dạng lớp được làm mỏng thành một lớp?
• Hóa học bề mặt và cạnh của các tấm vật liệu hai chiều là gì?
• Ngoài graphene, những họ vật liệu hai chiều nào tồn tại?

Key concepts

• Graphene
• Dichalcogenide kim loại chuyển tiếp
• Xếp lớp van der Waals
• Bóc tách cơ học và pha lỏng
• Chuyển đổi khe năng lượng đơn lớp
• Chức năng hóa cạnh và bề mặt

Key theories

Bóc tách tinh thể dạng lớp

Các chất rắn dạng lớp được giữ với nhau trong mặt phẳng bằng các liên kết mạnh nhưng giữa các lớp bằng các lực van der Waals yếu, do đó các tấm riêng lẻ có thể được bóc tách cơ học hoặc tách ra trong chất lỏng bằng cách xen kẽ và siêu âm để tạo ra các mảnh hai chiều.

Giới hạn chiều và các tính chất mới nổi

Việc giảm một tinh thể dạng lớp xuống thành một tấm đơn lẻ giới hạn các electron trong một mặt phẳng, tạo ra các tính chất không có ở dạng khối — sự vận chuyển hạt không khối lượng của graphene và sự chuyển đổi khe năng lượng gián tiếp sang trực tiếp được thấy khi các dichalcogenide kim loại chuyển tiếp được làm mỏng thành một lớp đơn.

Mechanisms

Trong quá trình bóc tách lỏng, các phân tử dung môi hoặc chất xen kẽ thâm nhập giữa các lớp và làm giảm lực hút liên lớp, do đó sự khuấy trộn sẽ tách các tấm riêng lẻ; sự chức năng hóa hóa học xảy ra ưu tiên ở các cạnh phản ứng và các vị trí khuyết tật, nơi các liên kết lơ lửng dễ tiếp cận nhất.

Clinical relevance

Vật liệu hai chiều được nghiên cứu cho các ứng dụng điện tử linh hoạt và có độ linh động cao, chất dẫn điện trong suốt, cảm biến có độ nhạy bề mặt rất cao, chất xúc tác điện cho quá trình giải phóng hydro, và màng chọn lọc, với việc lựa chọn vật liệu được xác định bởi yêu cầu về chất dẫn điện, bán dẫn, hay chất cách điện.

History

Việc Novoselov và Geim phân lập graphene đơn lớp vào năm 2004, bằng cách sử dụng băng dính để tách graphite, đã chứng minh rằng một tinh thể mỏng ở cấp độ nguyên tử ổn định có thể tồn tại và đã khởi đầu cho lĩnh vực này. Các công trình tiếp theo đã mở rộng quá trình bóc tách sang nhiều hợp chất dạng lớp khác và phát triển các phương pháp pha lỏng có thể mở rộng, thiết lập vật liệu hai chiều như một họ vật liệu rộng lớn.

Key figures

• Andre Geim
• Konstantin Novoselov
• Jonathan Coleman

Seminal works

• novoselov2004
• geim2007
• nicolosi2013

Frequently asked questions

Điều gì làm cho graphene khác với graphite?

Graphite là một chồng gồm nhiều lớp graphene được giữ với nhau bằng các lực van der Waals yếu. Một lớp đơn lẻ được tách ra — graphene — giới hạn các electron của nó trong hai chiều, mang lại cho nó những tính chất đặc biệt như độ linh động của hạt tải điện cực cao mà chồng ba chiều không thể hiện.

Tại sao molypden disulfide trở thành chất phát sáng tốt hơn khi ở dạng đơn lớp?

Ở dạng khối, molypden disulfide có khe năng lượng gián tiếp, làm cho quá trình phát sáng kém hiệu quả. Khi được làm mỏng thành một lớp đơn, sự giới hạn làm thay đổi cấu trúc dải năng lượng sao cho khe năng lượng trở thành trực tiếp, cho phép hấp thụ và phát xạ ánh sáng hiệu quả.