Двумерные материалы

Двуме́рные материа́лы (2D-материалы), кристаллы, состоящие из одного или нескольких слоёв, в которых межатомные взаимодействия в плоскости слоя гораздо сильнее, чем межплоскостные. Для проявления особых свойств 2D-материалов необходимо, чтобы их толщина была меньше латеральных размеров на 2 или более порядка. При латеральных размерах менее 100 нм двумерные материалы начинают проявлять свойства квантовых точек.

С момента получения первого 2D-материала – графена в 2004 г. А. К. Геймом и К. С. Новосёловым началось интенсивное изучение свойств не только графена, но и его аналогов – гексагонального нитрида бора (α-BN), фосфорена, дихалькогенидов переходных металлов (MoS₂ , MoSe₂ , WS₂ и др.), графитового нитрида углерода (g-C₃ N₄ ), слоистых двойных гидроксидов [(BiO)₄ (OH)₂ CO₃ и др.], металлорганических каркасных структур [Cd(4,4’-бипиридин)₂ (NO₃ )₂ и др.], ковалентных органических каркасных структур, максенов (MXenes) и др. Перечисленные выше материалы относят к слоистым 2D-материалам, которые в объёмном виде представляют собой слоистый кристалл с сильными межатомными взаимодействиями в плоскости слоя и слабыми ван-дер-ваальсовыми или водородными взаимодействиями перпендикулярно слою. Существует также неслоистые 2D-материалы, которые в объёмном кристалле не имеют слоёв и все атомы связаны ковалентными, металлическими или ионными связями. К ним относятся металлы, оксиды металлов, халькогениды металлов, полимеры и различные другие (силицен, антимонен, германен). Особенностью неслоистых 2D-материалов является возможность их получения в различных кристаллических фазах, что сильно влияет на их свойства.

Способы получения 2D-материалов делятся на две группы – «снизу вверх» и «сверху вниз». К первой группе методов относятся: химическое осаждение из газовой фазы, жидкофазный синтез, поверхностная сегрегация и др. Для группы методов «сверху вниз» характерны следующие пути получения 2D-материалов: раскрывание нанотрубок, химическая эксфолиация, механическая, электрохимическая, ультразвуковая эксфолиация и др.

С помощью методов синтеза «снизу вверх» получают 2D-материалы с большими латеральными размерами (до сантиметровых с помощью химического осаждения из газовой фазы) и контролируемой толщиной, но данные методы мало масштабируемые (кроме жидкофазного синтеза), зачастую требуют высоких температуры и давления и специальной подложки, или темплата, от которых сильно зависят свойства и количество дефектов у будущих 2D-материалов. С помощью данных методов получают неслоистые 2D-материалы и гетероструктуры из 2D-материалов.

При методах синтеза 2D-материалов «сверху вниз» сохраняется кристаллическая структура исходного слоистого кристалла. Данные методы являются простыми, дешёвыми, относительно быстрыми, масштабируемыми (кроме раскрывания нанотрубок) процессами. Но они энергозатратные и зачастую требуют дополнительных стадий (например, интеркаляции) и вспомогательных веществ (например, поверхностно-активных веществ, лубрикантов и др.) для эффективной эксфолиации, и латеральные размеры 2D-материалов ограничиваются размерами кристаллитов исходного слоистого кристалла. С помощью методов «сверху вниз» невозможно получить неслоистые 2D-материалы.

В отличие от материалов других размерностей (0D, 1D или 3D), 2D-материалы имеют несколько особенностей:

1) локализацию электронов в двумерной потенциальной яме, что сильно влияет на электронные свойства 2D-материалов и открывает новые пути для фундаментальных исследований в области физики конденсированного состояния и для использования двумерных материалов в электронике;

2) механическую гибкость и прозрачность из-за сверхмалой толщины 2D-материалов (в один или несколько атомов), что делает их привлекательными для использования в оптоэлектронных устройствах;

3) большие латеральные размеры, малую толщину и, следовательно, высокую удельную поверхность.

Самыми распространёнными 2D-материалами являются графен, гексагональный нитрид бора, дихалькогениды переходных металлов, фосфорен и максены (MXenes). Графен обладает высокими электропроводностью, подвижностью носителей заряда порядка 10⁵ см² /В∙с, теплопроводностью 3000–5000 Вт/м∙К, модулем Юнга 1 ТПа и прозрачностью (97,7 % для монослоя). Гексагональный нитрид бора является диэлектриком с большой шириной запрещённой зоны 5,9 эВ, теплопроводностью более 600 Вт/м∙К и обладает высокой термической и химической стойкостью. Фосфорен и дихалькогениды переходных металлов обладают зависимой от количества слоёв шириной запрещённой зоны (0,3–1,8 эВ и 1–2 эВ соответственно) и высокими отношениями уровней в состоянии «включено – выключено» [10³ –10⁵ и 10⁸ (для MoS₂ ) соответственно]. Максены (MXenes) обладают высокими модулем Юнга, тепло- (до 472 Вт/м∙К) и электропроводностью (до 10⁴ См/см) и регулируемой шириной запрещённой зоны. Все перечисленные 2D-материалы обладают высокой удельной поверхностью, что делает возможным их применение в качестве адсорбентов и в катализе. 2D-материалы используются в композиционных материалах в качестве наполнителя. Графен, фосфорен, дихалькогениды переходных металлов и максены используются в суперконденсаторах и в качестве сенсоров (за счёт резкого изменения свойств в присутствии посторонних атомов или молекул на поверхности 2D-материала), вместе с гексагональным нитридом бора используются для создания функциональных чернил и т. д.

Двумерные материалы могут образовывать между собой гетероструктуры (вертикальные или латеральные), что позволяет комбинировать свойства различных 2D-материалов. Такие гетероструктуры обладают огромным потенциалом для применения в качестве полевых транзисторов и фотодетекторов.