🍱 🤱🏼 🏇🏾 رأي الخبراء: مواد ثنائية الأبعاد وخصائصها وآفاقها 👨🏼‍✈️ 🚖 👏🏿

قررنا اليوم أن نخبرك عن المواد الفريدة ثنائية الأبعاد (الجرافين ، نيتريد البورون ، وما إلى ذلك) ، وخصائصها وآفاق الدراسة ، التي تم اكتشافها في عام 2010 جائزة نوبل.
مع طلب للكتابة في مدونة الشركة الخاصة بنا حول GT ، لجأنا إلى أحد العلماء الشباب الأكثر موهبة ، وهو باحث بارز في مختبر المواد النانوية غير العضوية ، وطبيب العلوم الفيزيائية والرياضية ، بافيل بوريسوفيتش سوروكين . في المختبر ، الذي صدر عنه تقرير صغير على القناة الأولى قبل أسبوع ، تحت قيادة العالم البارز ديمتري جولبيرجتعمل Pavel على نمذجة مركبات الجيل الجديد المقواة بمختلف الهياكل النانوية. على الرغم من صغر سنه (33 عامًا) ، فقد حصل بافيل بوريسوفيتش سوروكين بالفعل على تقدير من المجتمع العلمي العالمي ، وبطبيعة الحال ، هو خبير في مجاله ، كما يتضح من تجربة الدراسات الدولية. بافل هو الفائز بجائزة الأكاديمية الأكاديمية الأوروبية الروسية للعلماء الشباب في الفيزياء ، والفائز بجائزة Scopus Russia 2015 ومؤلف أكثر من 60 منشورًا في مجلات دولية مثل Nature Physics و Nature Communications و Nano Letters و ACS Nano و J. فيز. كيم. بادئة رسالة. وإلخ.

جزء كبير من عمل Sorokin P. مكرس للمجال سريع النمو لعلوم المواد للبنية النانوية ثنائية الأبعاد ، التي تنشأ من لحظة إنتاج ودراسة الجرافين (أول فيلم أحادي) . تسمح لنا خصائص الجرافين المثيرة للاهتمام بالنظر إليها كأساس للإلكترونيات النانوية المستقبلية.

مثال على ورقة من الجرافين ثنائي الأبعاد ( الطبيعة التوضيحية ).

بافيل بوريسوفيتش سوروكين
دكتور في العلوم الفيزيائية والرياضية
باحث رئيسي في مختبر "المواد النانوية غير العضوية" NIS "MISiS"

واحدة من الموضوعات سريعة التطور لعلوم المواد الحديثة هي الأفلام والمواد ثنائية الأبعاد القائمة عليها. تعمل مئات المجموعات العلمية حول العالم في هذا المجال (بما في ذلك فريق NUST “MISiS” تحت قيادتي) ، ويتم تخصيص عشرات المؤتمرات لها سنويًا ، ويتم تخصيص مبالغ ضخمة من المال للبحث. السؤال طبيعي - لماذا الأفلام ثنائية الأبعاد مثيرة للاهتمام؟ في هذه المقالة سأحاول الإجابة بإيجاز على هذا السؤال ، وكذلك التعبير عن رأيي حول آفاق تطور هذا المجال العلمي.

تين. 1. هياكل ثنائية الأبعاد أ) NbSe2 ب) الجرافيت ج) Bi2Sr2CaCu2Ox ، د) MoS2. مقياس: 1 ميكرون. تم الحصول على الصور أ و ب باستخدام مجهر القوة الذرية ، ج مع مجهر المسح النفقي ، د مع المجهر الضوئي.

بدأ كل شيء في عام 2004 بمقال علمي في العلوم و PNAS ، حيث أفاد المؤلفون عن الفصل الناجح للطبقات الفردية للسمك الذري من بلورات متعددة الطبقات (انظر الشكل 1) . كانت هذه الأعمال بمثابة بداية حقبة جديدة في علوم المواد الحديثة ، ومؤلفوها الرئيسيون ، ك. نوفوسيلوف وأ.ك. Game (جامعة مانشستر ، المملكة المتحدة)في نهاية المطاف تقاسم جائزة نوبل. في البداية ، ركز الفريق بقيادة Game على دراسة طبقة كربون أحادية الطبقة - الجرافين. تم اكتشاف عدد كبير من التأثيرات الفيزيائية الجديدة في هذه المادة - ويمكن ملاحظة ذلك في النمو السريع في عدد المقالات المخصصة لدراسة الجرافين ، إذا كان هناك 20 في عام 2004 ، ثم في عام 2014 فقط تم نشر أكثر من 10000 عمل. ولكن إلى جانب الجرافين ، هناك عائلة ضخمة من الأفلام الأخرى ثنائية الأبعاد ، والتي لم تبدأ دراستها بعد - ببساطة لا توجد قوة كافية.

تين. 2. عدد المنشورات التي تحتوي على كلمة "الجرافين" في العنوان (اعتبارًا من سبتمبر 2015 ، وفقًا لـ WoS)

يتميز الجرافين بصلابة ميكانيكية عالية وموصلية حرارية عالية ، والقيمة القياسية لحركة حامل الشحنة تجعله مادة واعدة للاستخدام في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، على وجه الخصوص ، كأساس للإلكترونيات في المستقبل. يحتوي الجرافين على ميزة فريدة - اعتماد خطي على طاقة حاملات الشحن (الإلكترونات والثقوب) - على شبه الكيس. في الطبيعة ، هناك جسيمات تعتمد طاقتها أيضًا بشكل خطي على الزخم - هذه هي الفوتونات. الفوتونات ليس لها كتلة راحة ، وسرعتها تساوي سرعة الضوء. وبالتالي ، يمكن استخدام الجهاز الرياضي المطور بالفعل لوصف الجسيمات النسبية لوصف سلوك الإلكترونات والثقوب في الجرافين ، مما أدى على الفور إلى الاكتشاف الرائع التالي بواسطة M.I. Katznelson - مفارقة كلاين في الجرافين. ينشأ هذا التناقض عند النظر في مشكلة اختراق الجسيمات النسبية من خلال حاجز عالي محتمل. في حالة الجرافين ، تبين أن أي حاجز محتمل في الجرافين يكون شفافًا عندما تحدث الإلكترونات أو الثقوب عليه. نتيجة مهمة هي صعوبة توطين ناقلات الشحن في الجرافين.

بالإضافة إلى خصائصه الإلكترونية الرائعة ، يتميز الجرافين بخصائص ميكانيكية رائعة. الروابط التساهمية القوية بين ذرات الكربون في الجرافين تجعلها المادة الأكثر متانة التي حصل عليها الإنسان.. تتجاوز الثوابت المرنة الطولية للجرافين القيم المماثلة لصاحب الرقم القياسي السابق - الماس. قوة الجرافين بحيث أن صفائحها التي يبلغ طولها مترًا قادرة نظريًا على حمل قطة تبلغ أربعة كيلوغرامات. في الوقت نفسه ، الفيلم نفسه خفيف ، غرام واحد من الجرافين يمكن أن يغطي ملعب كرة قدم!

أصبحت العديد من شركات التكنولوجيا مهتمة بمثل هذه المواد المذهلة ، وبدأت تظهر معاهد كاملة مخصصة حصريًا لدراسة الجرافين في دول مختلفة من العالم ، ومنذ عام 2013 تم تنفيذ برنامج الجرافين الرائد على نطاق واسع في أوروبابقيمة مليار يورو ، تهدف إلى البحث في استخدام الجرافين في مختلف مجالات النشاط البشري. في البداية ، بدا أن الجرافين سيؤدي إلى ثورة علمية وتكنولوجية في مجموعة متنوعة من المجالات - من الإلكترونيات إلى المواد المركبة. فيما يلي توقعات إدخال الأجهزة على الجرافين من مقالة كتبها K.S. نوفوسيلوفا. في رأيه ، فإن التطبيق الأكثر ترجيحًا هو الأساس لشاشة تعمل باللمس أو ورق إلكتروني أو ثنائيات عضوية ينبعث منها الضوء. من المتوقع أن تكون الترانزستورات والأجهزة المنطقية الأخرى القائمة عليها فقط في 10-20 سنة.

لماذا يصعب استخدام الجرافين؟ تتمتع حاملات الشحن فيها بحركة أكبر بكثير مما هي عليه في مواد أشباه الموصلات المعروفة بالفعل - السليكون أو الماس أو زرنيخيد الغاليوم. وهذا يعني أن الأجهزة القائمة على الجرافين يجب أن يكون لها خصائص قياسية. ومع ذلك ، فإن الخصائص شبه المعدنية للجرافين ، وكذلك مفارقة كلاين ، تعوق تطبيقه المباشر في إلكترونيات أشباه الموصلات. هناك العديد من الأعمال التي جرت فيها محاولات لتحويل الجرافين إلى أشباه الموصلات التقليدية ، ولكن هذا أدى إلى تدهور كبير في خصائص النقل - انخفضت حركة حاملات الشحن ، مما حرم المادة من ميزة كبيرة.

ومع ذلك ، فإن هذه الميزات من الجرافين لا تعني أنه ليس لديها احتمالات للتطبيق. على سبيل المثال ، يمكن استخدام هذه المادة كمستشعر شديد الحساسية - يمكنها اكتشاف الجزيئات الفردية. تسمح الموصلية العالية للجرافين باستخدامه كأساس للأحبار الموصلة ، والشفافية (يمتص الجرافين 2 ٪ فقط من الضوء) ومرونة الفيلم تجعل الجرافين قطبًا موصلاً شفافًا مثاليًا ، مما سيؤدي إلى إنشاء جيل جديد من شاشات اللمس. الآن أساس هذه الأجهزة هو أكسيد القصدير الإنديوم ، غير مناسب للعرض المرن. وهذا يتطلب إنشاء طرق لإنتاج الجرافين بكميات كبيرة ، والتي قررها عملاقان - Samsung و Sony. أعلنت شركة Samsung أيضًا عن اختبار ناجح لشاشة تعمل باللمس مرنة نموذجيةالقائم على الجرافين . على الرغم من حقيقة أن ورقة الجرافين التي تم الحصول عليها لها بنية متعددة البلورات (تتكون من شظايا الجرافين الفردية المرتبطة بروابط كيميائية لتشكيل واجهات أحادية البعد) ، فقد اتضح أن خصائصها الموصلة مقبولة تمامًا للاستخدام في الإنتاج.

شاشات الجرافين التي تعمل باللمس: جامعة رايس ثم الفيديو (الإنجليزية)

كما تجذب المواد الأخرى ثنائية الأبعاد انتباه الباحثين. بادئ ذي بدء ، كان نيتريد البورون ، إلكترونياً (له نفس عدد الإلكترونات لكل جزيء) ونظير الكربون المتماثل ، مثيرًا للاهتمام : كما أن له أطوارًا تشبه الماس والجرافيت وحتى مرحلة كاربين (سلسلة ذرية يتناوب فيها ذرات النيتروجين والبورون). هناك أيضًا أنابيب نانوية نيتريد البورون ؛ لذلك ، ليس من المستغرب أن يتم الحصول على فيلم BN ثنائي الأبعاد بنجاح. على عكس الجرافين ، يعد نيتريد البورون عازلًا ، ولا يمكن استخدامه إلا كعازل.

كما حوّل الباحثون انتباههم أيضًا إلى انتقال ثنائي كلوريد الكالسيوم المعدني.يحتوي على التركيب الكيميائي MX2 ، حيث M هو معدن انتقالي (على سبيل المثال ، Mo ، W ، V وغيرها) ، و X عبارة عن مادة خالصة (كبريت ، سيلينيوم أو تلوريوم). هذه مجموعة كبيرة من المواد ، ومعظمها يحتوي على مرحلة ذات طبقات يمكن تقسيمها إلى طبقات ثنائية الأبعاد. ولكن ، على عكس الجرافين ونتريد البورون ، فإن طبقة منفصلة من ثاني كبريتيد الفلز الانتقالي هي "شطيرة" من طبقتين من الكالوكوجينيد مرتبطة كيميائياً بطبقة معدنية في المنتصف. يمكن أن يظهر ثنائي كلوريد الكالسيوم للمعادن الانتقالية كل من الخصائص المعدنية وأشباه الموصلات اعتمادًا على التركيب الكيميائي. تسبب هذا في اهتمام كبير بهذه المواد: على سبيل المثال ، تم إنشاء نماذج أولية من أجهزة الترانزستور النانوية ، وعناصر الذاكرة الإلكترونية الضوئية ، وأجهزة استشعار مختلفة على أساس MoS2. في هذه الحالة ، لا تزال حركة حاملات هذه المادة أقل بكثير من حركة الجرافين. وبالتالي،تسمح لنا التقديرات النظرية بالتحدث عن 400 سم 2 / V.sec (في درجة حرارة الغرفة) ، بينما كان من الممكن في التجربة تحقيق قيم أصغر بعشر مرات. هذا أقل من السيليكون (100 سم 2 / V.sec) وأقل بكثير من الجرافين (> 10000 سم 2 / V.sec). ومع ذلك ، فإن دراسات هذه الهياكل بعيدة عن الاكتمال. وبطبيعة الحال ، فإن مركبات ثنائي أكسيد الكالسيوم المعدنية الانتقالية لها خصائص إلكترونية ومغناطيسية مثيرة للاهتمام لم يتم دراستها بعد.تحتوي مركبات ثنائي كلوريد الكالسيوم الانتقالية على خصائص إلكترونية ومغناطيسية مثيرة للاهتمام لم يتم دراستها بعد.تحتوي مركبات ثنائي كلوريد الكالسيوم الانتقالية على خصائص إلكترونية ومغناطيسية مثيرة للاهتمام لم يتم دراستها بعد.

مجموعة متنوعة من الأفلام ثنائية الأبعاد تجعل مسألة إنشاء هياكل متباينة بناءً على طبيعتها. على سبيل المثال ، إذا تم ربط نيتريد البورون والجرافين في طائرة ، يمكن الحصول على فيلم مع مناطق موصلة وغير موصلة. تم تنفيذ ذلك بنجاح في عدد من الدراسات حيث تم الحصول على هياكل ثنائية الأبعاد تحتوي على مرحلتي h-BN والجرافين ، انظر الشكل

من المثير للاهتمام أيضًا الحصول على هيكل مغاير شبه ثنائي الأبعاد - مزيج من عدة أوراق من التراكيب المختلفة. هذا الاتجاه يتطور بنشاط الآن ، وقد تم بالفعل الحصول على النتائج الأولى - على سبيل المثال ، مادة تتكون من الجرافين (تعمل كقطب يتم توفير التيار إليه) ، ونتريد البورون (يلعب دور حاجز النفق) وثنائي كلوريد الكالسيوم الانتقالي مع إجمالي طبقات من 10 إلى 40. هذه البنية غير المتجانسة قادرة على انبعاث الضوء من السطح بأكمله عندما يمر تيار كهربائي من خلاله ، أي أنه LED فائق النحافة ومرنة للغاية. من المهم ملاحظة أن خصائص البنية غير المتجانسة تعتمد تمامًا على نوع وترتيب الطبقات ثنائية الأبعاد.

. 3. a, ) b,d) ( ) , (: 5 ); e, f) .

تشير جميع هذه النتائج إلى التطور السريع لمجال المواد ثنائية الأبعاد. في مؤتمر GrapITA'2015 ، حيث قدمت عرضًا تقديميًا مؤخرًا ، عرضت العديد من الشركات مواد وأجهزة مركبة تعتمد على الجرافين. يشير تنوع النماذج الأولية المختلفة إلى أن تطوير المنطقة يذهب إلى التطبيق التكنولوجي. ومع ذلك ، هذا لا يعني أن الدراسات الأساسية للهياكل ثنائية الأبعاد قد اكتملت ، ولا تزال عائلة ضخمة من الأفلام ثنائية الأبعاد تحمل العديد من الأسرار والتطبيقات المحتملة.

تين. 4. كشك مصنع الجرافين في GrapITA 2015.

رأي الخبراء: مواد ثنائية الأبعاد وخصائصها وآفاقها

More articles: