2D-материалы: Восходящая звезда будущего

Введение

Двумерные материалы, или однослойные материалы, - это материалы с одним слоем атомов. В более микромасштабном представлении двумерные материалы - это материалы наномасштаба. Наиболее известным примером двумерного материала является графен, состоящий из аллотропов углерода в наноструктуре с гексагональной решеткой и впервые выделенный в 2004 году. На рисунке 1 показана структура графенового слоя.

Монослойный графен обладает уникальными свойствами. Его прочность на разрыв в сотни раз выше, чем у большинства сталей по весу. Он также обладает высочайшей тепло- и электропроводностью. Благодаря превосходным свойствам графена многие исследователи уделяют внимание разработке других дополнительных одноатомных углеродных сетей, таких как графдиен, графенилен и другие. Графен становится пионером в разработке двумерных материалов.

Рисунок 1: Графеновый слой

Что такое двумерный материал?

Если рассматривать материалы в трех измерениях, то 2D-материалы - это материалы, которые имеют только одно наноразмерное измерение. Если материалы имеют все три измерения в наноразмерах, они являются 0D-материалами. В таблице 1 приведены краткие сведения о материалах от 0 до 3D [1].

Таблица 1: Материалы от 0 до 3D с примерами

Двумерные материалы делятся на элементы, металлические соединения, органику и соли. На рисунке 2 показаны структуры и классификация различных двумерных материалов [2].

Гексагональный нитрид бора (h-BN) является изоморфом графена (имеет те же микроструктуры, что и графен, показанный на рисунке 1, за исключением того, что углерод заменен бором и нитридом).

MoS2 - один из дихалькогенидов переходных металлов (TMDC). Химическая формула TMDCs - MX2 (M - переходный металл, например Mn; X - халькоген, например S, Se и Te). TMDC образуют трехслойные структуры ковалентной связи X-M-X.

Благодаря своим различным механическим, электрическим и оптическим свойствам двумерные материалы широко используются в различных областях, о которых мы поговорим позже. Для начала давайте узнаем, как производятся двумерные материалы.

Рисунок 2: Виды и структуры различных двумерных материалов [2]

Как производят двумерные материалы?

Двумерные материалы - это материалы с одним слоем атомов. Можно сделать объемные материалы тоньше, как при нарезке ветчины, но проблема не так проста из-за химических связей некоторых материалов в трех измерениях. Разрыв этих связей делает тонкие слои очень нестабильными и химически реактивными. Графит - совсем другое дело. Будучи двумерным материалом, он имеет прочные химические связи только внутри плоскостей, каждая из которых накладывается друг на друга, образуя графит (см. рисунок 3 [3]). Поэтому описанная выше стратегия может быть использована для получения графена.

Рисунок 3: Структура графита [3]

Существует две идеи получения двумерных материалов: сверху вниз и снизу вверх.

При нисходящем способе большие или объемные материалы разрезаются под контролем процесса и удаляются образовавшиеся слои. Его основная стратегия описана выше. Сверху вниз можно разделить на механическую, жидкофазную, ультразвуковую, электрохимическую, ионообменную и литий-интеркалированную эксфолиацию [2].

При нисходящем способе используются атомные или молекулярные элементы, которые "объединяются" вместе для формирования двумерных материалов. При нисходящем способе используются материалы меньшего размера, чем двумерные материалы, для получения двумерных материалов, как строительных блоков. К нисходящим методам относятся эпитаксиальный рост, химическое осаждение из паровой фазы (CVD), импульсное лазерное осаждение (PLD), мокрые химические методы, метод, основанный на использовании рядов волн, или топохимическое преобразование [2].

Для получения двумерных материалов обычно используются механическое отшелушивание, жидкостное отшелушивание и CVD.

Механическое отшелушивание

Механическое отшелушивание использует механическую силу для отделения тонкого слоя или нескольких тонких слоев материала от основного материала. Обычно для отслаивания основного материала и сбора тонких слоев используется кусок "липкой ленты". Для всех методов "сверху вниз" основной проблемой является преодоление сил Ван-дер-Ваальса между каждым слоем в сыпучем материале. Тщательно прилагая нормальную и боковую силу в процессе отслаивания, мы все же можем получить высококачественные двумерные материалы методом механического отшелушивания. Но низкая эффективность и выход являются основными проблемами механического отшелушивания.

Жидкое отшелушивание

Жидкая эксфолиация может устранить эти недостатки механической эксфолиации, используя органический растворитель в качестве промежуточного вещества для переноса механической силы на сыпучий материал, а соникация дает растягивающее напряжение на каждый слой, что отделяет каждый слой. Однако 2D-материалы, полученные методом жидкостной эксфолиации, могут содержать остатки органического растворителя, что делает 2D-материалы непригодными для некоторых оптических применений.

Химическое осаждение из паровой фазы

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) позволяет получать высококачественные и высокоэффективные 2D-материалы при контролируемых размерах. В нагретой печи один или несколько газов-предшественников, содержащих атомарные или молекулярные элементы, попадают на подложку, и на ней вырастают двумерные материалы. CVD успешно применяется для получения графена и TMDC. Давление газа, температура, время реакции и т.д. играют важную роль в качестве, толщине и составе 2D-материала.

Зачем нужен 2D-материал и его применение

Преимущества 2D-материала

По сравнению с сыпучими материалами, в 2D-материалах отсутствуют силы Ван-дер-Ваальса из-за их однослойной структуры. Силы Ван-дер-Ваальса - это зависящие от расстояния взаимодействия между атомами или молекулами. Если материал не может преодолеть силы Ван-дер-Ваальса при нагрузке, он разрушается. Ковалентная связь обменивается электронами, что означает сильное соотношение площади поверхности к объему атомов. В двумерных материалах нет ван-дер-ваальсовых сил, а есть только ковалентные связи, поэтому они обладают чрезвычайно высокой прочностью на разрыв. Графен - материал, обладающий самой высокой прочностью на разрыв в природе.

Однослойная структура двумерного материала обеспечивает ему относительно высокое отношение площади поверхности к объему. Он может контактировать с большим количеством реактивов, что позволяет быстрее проводить реакции. 2D-материалы также демонстрируют хорошие электронные и оптические свойства, поскольку уменьшение периодичности в направлении, перпендикулярном плоскости, изменяет структуру полос.

Области применения двумерных материалов

Двумерные материалы широко используются в транзисторах, фотодетекторах, полупроводниках, конденсаторах, мемристорах и многих других приложениях.

Оксид графена часто используется для создания композитных волокон, пленок или 3D-структур благодаря своей высокой дисперсности. При сочетании 50% оксида графена с 50% нанофибрилл целлюлозы (CNF) полученный аэрогель демонстрирует более высокую прочность и жесткость, чем аэрогель из чистого CNF [2].

Высокое отношение площади поверхностиграфена к его объему снижает воспламеняемость газов [2]. Это позволяет использовать графен в качестве добавки для повышения устойчивости к воспламенению полимерных композитов и других материалов. Графен также хорошо проявляет себя в мемристорах благодаря высокой электропроводности, химической стабильности и высокой подвижности носителей. Он хорошо справляется с резистивным переключением в условиях высокой скорости и длительной работы. TMDCs, BN или BP также могут быть использованы в мемристорах.

TMDCs(_MoS2, _WSe2, _WS2) широко используются в полевых транзисторах (FET), которые являются наиболее важными элементами в электронике. Хорошая подвижность заряда и умеренные полосовые зазоры TMDC делают их подходящими для применения в FET [2].

Высочайшие диэлектрические свойства пленки h-BN позволяют использовать комбинацию h-BN/Ge/металл в конденсаторах.

Существует множество применений и 2D-материалов, которые не упомянуты. Stanford Advanced Materials (SAM) предлагает различные виды 2D-материалов. Если вам нужна дополнительная информация о 2D-материалах, вы можете предоставить информацию о своем применении нашим техническим специалистам для получения консультации.

Ссылка

1. Двумерные материалы: Введение в двумерные материалы. Ossila. (n.d.). Retrieved January 28, 2023, from https://www.ossila.com/en-us/pages/introduction-2d-materials.
2. Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & Das, O. (n.d.). Обзор синтеза, свойств и применения двумерных материалов. A Review of the Synthesis, Properties, and Applications of 2D Materials. Retrieved January 29, 2023, from https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031.
3. Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & Das, O. (n.d.). Обзор синтеза, свойств и применения двумерных материалов. A Review of the Synthesis, Properties, and Applications of 2D Materials. Retrieved January 29, 2023, from https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031.