Экспертное мнение: двумерные материалы, их свойства и перспективы

      Комментарии к записи Экспертное мнение: двумерные материалы, их свойства и перспективы отключены

Экспертное мнение: двумерные материалы, их свойства и перспективы

Сейчас мы решили поведать вам об неповторимых двумерных материалах (графен, нитрид бора и др.), их перспективах и свойствах изучения, за открытие которых в 2010 г. была вручена нобелевская премия.

Прося написать для отечественного корпоративного блога на GT мы обратились к одному из самых гениальных молодых ученых, ведущему научному сотруднику лаборатории «Неорганические наноматериалы», врачу физико-математических наук, Павлу Борисовичу Сорокину. В лаборатории, о которой на первом канале семь дней назад вышел маленькой репортаж, под управлением ведущего ученого Дмитрия Гольберга

Павел трудится над моделированием композитов нового поколения, упрочненных разными наноструктурами. Не обращая внимания на собственный юный возраст (33 года), Павел Борисович Сорокин уже взял признание мирового научного сообщества и, непременно, есть специалистом в собственной области, что подтверждается опытом интернациональных изучений.

Павел есть обладателем Премии Русского клуба Европейской Академии (Academia Europaea) для молодых учёных в области физики, лауреатом премии Scopus Award Russia 2015 и автором более 60 публикаций в интернациональных изданиях, таких как Nature Physics, Nature Communications, Nano Letters, ACS Nano, J.Phys. Chem. Lett. и др.

Большая часть работ Сорокина П.Б. посвящена быстрорастущей области материаловедения двумерных наноструктур, берущей собственный начало с момента получения и исследования графена (первой моноатомной плёнки). Занимательнейшие особенности графена разрешают разглядывать его в качестве базы будущей наноэлектроники.

Одной из быстроразвивающихся тематик современного материаловедения являются двумерные плёнки и материалы на их базе. В данной области трудятся много научных групп в мире (среди них и коллектив в НИТУ «МИСиС» под моим управлением), им посвящаются каждый год десятки конференций, на изучения выделяются огромные деньги. Естественен вопрос – чем же так увлекательны двумерные плёнки?

В данной заметке я попытаюсь коротко ответить на данный вопрос, и выскажу собственное вывод о возможности развития данной области науки.

Рис. 1.** Двумерные структуры a) NbSe2 b) графит c) Bi2Sr2CaCu2Ox, d) MoS2. Масштаб: 1 мкм. Изображения а и b взяты посредством атомно-силового микроскопа, c — посредством сканирующего туннельного микроскопа, d — посредством оптического микроскопа

Всё началось в 2004 году c научных статьей в Science и PNAS, в которых авторы сказали об успешном отделении отдельных слоёв атомарной толщины от разных слоистых кристаллов (см. Рис. 1). Эти работы стали началом новой эры в современной материаловедении, а их главные авторы, К.С.

Новосёлов и А.К. Гейм (Университет Манчестера, Англия) в итоге поделили Нобелевскую премию. Сперва коллективпод руководством Геймом, сконцентрировался на изучении монослоя углерода – графена.

В этом материале было найдено много новых физических эффектов – это видно по стремительному росту количества статей посвящённых изучению графена, в случае если в 2004 году их было 20, то лишь за 2014 было опубликовано более 10000 работ. А ведь не считая графена, существует огромное семейство вторых двумерных плёнок, к изучению которых ещё не приступали – просто не хватает сил.

Рис. 2. Число публикаций со словом “graphene” в заглавии (на сентябрь 2015 года, согласно данным WoS)

Графен владеет громадной механической высокой теплопроводностью и жёсткостью, а рекордное значение подвижности носителей заряда делает его перспективным материалом для применения в самых разных приложениях, например, как будущую базу электроники. Графен владеет неповторимой изюминкой — линейной зависимостью энергии дырок заряда (и носителей электронов) — от квазиимпульса. В природе существуют частицы, чья энергия кроме этого зависит линейно от импульса — это фотоны.

Фотоны имеют нулевую массу спокойствия, а их скорость равна скорости света. Так, уже созданный математический аппарат для описания релятивистских частиц мог быть применен для дырок поведения и описания электронов в графене, что срочно стало причиной следующему превосходному открытию М.И. Кацнельсона — парадоксу Клейна в графене.

Данный парадокс появляется при рассмотрении задачи о проникновении релятивистской частицы через большой потенциальный барьер. Для случая графена было продемонстрировано, что любой потенциальный барьер в графене есть прозрачным при обычном падении на него электронов либо дырок. Серьёзное следствие — сложность локализации носителей заряда в графене.

Не считая превосходных электронных особенностей, графен имеет впечатляющие механические характеристики. Сильные ковалентные связи между атомами углерода в графене делают его самым прочным материалом, когда-либо взятым человеком. Продольные упругие константы графена существенно превосходят подобные значения прошлого рекордсмена — бриллианта. Прочность графена такова, что его метровый лист теоретически способен удержать четырехкилограммовую кошку.

Наряду с этим сама пленка – легкая, один грамм графена может покрыть футбольное поле!

Таким необычным материалом заинтересовались многие технологические компании, в различных государствах мира стали появляться целые университеты, посвященные только изучению графена, а с 2013 года в Европе реализуется масштабная программа Graphene Flagship:[http://graphene-flagship.eu/] ценой один миллиард евро, направленная на изучение применения графена в разных областях людской деятельности. Изначально казалось, что графен приведет к научно-технической революции в самых различных областях — начиная от электроники и заканчивая композиционными материалами.

Ниже приведён прогноз внедрения устройств на графене из статьи К.С. Новосёлова. Согласно его точке зрения, самоё вероятное использование — база для сенсорного экрана, электронной бумаги либо органических светоизлучающих диодов.

Транзисторы и другие логические устройства на его базе ожидаются только через 10–20 лет.

Отчего же сложно применять графен? Носители заряда в нём имеют намного большую подвижность, чем в уже известных полупроводниковых материалах — кремнии, бриллианте либо арсениде галлия. Это указывает, что устройства на базе графена должны иметь рекордные характеристики. Но полуметаллические свойства графена, и парадокс Клейна затрудняют его прямое использование в полупроводниковой электронике.

Существует большое количество работ, в которых были сделаны попытки изменения графена в простой полупроводник, но это приводило к значительному ухудшению его транспортных особенностей — подвижность носителей заряда понижалась, что лишало материал наиболее значимого преимущества.

Но эти особенности графена не означают, что он не имеет возможностей применения. К примеру, данный материал возможно использован в качестве сенсора экстремальной чувствительности — он может детектировать отдельные молекулы.

Высокая проводимость графена разрешает использовать его в качестве базы для проводящих чернил, а прозрачность (графен поглощает только 2% света) и гибкости плёнки делают графен совершенным прозрачным проводящим электродом, что разрешит создать новое поколение сенсорных экранов. на данный момент базой этих устройств есть оксид индия-олова, не подходящий для эластичных дисплеев.

Это требует создания способов получения графена в макроскопических количествах, что и было решено двумя гигантами — компаниями Samsung и Сони. Компания Samsung кроме этого сказала об успешном опробовании прототипа эластичного сенсорного дисплея на базе графена. Не обращая внимания на то, что полученный лист графена имеет поликристаллическую структуру (складывающуюся из отдельных фрагментов графена связанных приятель втором при помощи химической связей образуя одномерные границы раздела), его проводящие характеристики были в полной мере приемлемыми для применения в производстве.

Сенсорные экраны из графена: Rice University Видео (анг.)

Другие двумерные материалы кроме этого завлекают внимание исследователей. В первую очередь, интерес привёл к нитриду бора, изоэлектронный (имеющий однообразное число электронов на молекулу) и изоструктурный аналог углерода: он кроме этого имеет алмазоподобную и графитовую фазы а также фазу карбина (атомарную цепочку, в которой чередуются атомы бора и азота). Существуют кроме этого бор-нитридные нанотрубки, исходя из этого неудивительно, что удачно была взята и двумерная пленка BN.

В отличие от графена, нитрид бора — диэлектрик, он бывает использован лишь как изолятор.

Кроме этого исследователи обратили собственный взор на дихалькогениды переходных металлов, имеющих состав MX2, где M — переходный металл (к примеру, Mo, W, V и другие), а X — халькоген (сера, селен либо теллур). Это громадное семейство материалов, у многих имеется слоистая фаза, которую возможно поделить на двумерные слои.

Но, в отличие от графена и нитрида бора, отдельный слой дисульфидов переходных металлов является бутербродом «» из двух халькогенидных слоев, химически связанных с находящимся посередине слоем металла. Дихалькогениды переходных металлов смогут проявлять как железные, так и полупроводниковые особенности в зависимости от состава.

Это обусловило громадной интерес к данным материалам: так, на базе MoS2 были созданы прототипы нанотранзисторов, элементов оптоэлектронной памяти, разных сенсоров. Наряду с этим подвижность носителей заряда этого материала однако существенно ниже, чем у графена. Так, теоретические оценки разрешают сказать о 400 см2/В.сек (при комнатной температуре), тогда как в опыте удалось достигнуть размеров в десятки раз меньше.

Это ниже, чем у кремния (100 см2/В.сек) и существенно ниже, чем у графена (10000 см2/В.сек). Но изучения этих структур далеко не закончены. Непременно, на данный момент переходных металлов имеют занимательнейшие электронные и магнитные особенности, каковые ещё лишь предстоит изучить.

Многообразие двумерных плёнок делает естественным вопрос о создании гетероструктур на их базе. К примеру, в случае если соединить в плоскости нитрид бора и графен, возможно взята пленка с чередующимися проводящими и непроводящими областями. Это было удачно осуществлено в ряде работ, где были взяты двумерные структуры которые содержат обе фазы h-BN и графена, см. рисунок

Кроме этого весьма интересно получение квазидвумерной гетероструктуры – соединения нескольких страниц разного состава. Данное направление на данный момент деятельно начинается, и уже взяты первые результаты – так, в группе Новосёлова был взят материал, складывающийся из графена (играющего роль электрода, к которому подводится ток), нитрида бора (играющего роль туннельного барьера) и дихалькогенидов переходных металлов с общим количеством слоев от 10 до 40.

 Такая гетероструктура способна испускать свет со всей поверхности при пропускании через нее электрического тока, другими словами представляет собой сверхтонкий и сверхгибкий светодиод. Принципиально важно подчернуть, что свойства гетероструктуры всецело зависят от порядка и типа размещения двумерных слоёв.

Рис. 3. a, с) модели и b,d) экспериментальное изображение (полученное посредством сканирующей просвечивающей электронной микроскопии) двумерных гетероструктур на базе графена, нитрида бора и дихалькогенидов переходных металлов (масштаб: 5 нм); e, f) гетероструктура и её электролюминесценция.

Все эти результаты говорят о стремительном развитии области двумерных материалов. На конференции GrapITA’2015, где сравнительно не так давно я делал доклад, пара компаний демонстрировали устройства и композитные материалы на базе графена. Многообразие разных опытных образцов показывает, что развитие области выходит на технологическое использование.

Но это не свидетельствует, что фундаментальные изучения двумерных структур закончены, огромное семейство двумерных плёнок таит ещё множество потенциальных приложений и секретов.

Рис. 4.** Стенд Graphene Factory на GrapITA’2015.

Подвижность водорода в многокомпонентных сплавах переходных металлов


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: