🤡 👂🏼 🤹🏿 Expertenmeinung: Zweidimensionale Materialien, ihre Eigenschaften und Perspektiven Ⓜ️ 🥂 🉑

Heute haben wir uns entschlossen, Ihnen über einzigartige zweidimensionale Materialien (Graphen, Bornitrid usw.) , ihre Eigenschaften und Studienperspektiven zu berichten, für deren Entdeckung 2010 der Nobelpreis verliehen wurde.
Mit der Bitte, für unseren Unternehmensblog über GT zu schreiben , wandten wir uns an einen der talentiertesten jungen Wissenschaftler, einen führenden Forscher am Labor für anorganische Nanomaterialien , Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften, Pavel Borisovich Sorokin . Im Labor, über das vor einer Woche auf dem ersten Kanal unter der Leitung des führenden Wissenschaftlers Dmitry Golberg ein kleiner Bericht veröffentlicht wurdePavel arbeitet an der Modellierung von Verbundwerkstoffen der neuen Generation, die mit verschiedenen Nanostrukturen gehärtet sind. Trotz seines jungen Alters (33 Jahre) hat Pavel Borisovich Sorokin bereits Anerkennung von der Weltwissenschaftlergemeinschaft erhalten und ist natürlich ein Experte auf seinem Gebiet, wie die Erfahrung internationaler Studien belegt. Pavel ist der Gewinner des Preises der Russischen Akademie des Klubs der Europäischen Akademie (Academia Europaea) für junge Wissenschaftler auf dem Gebiet der Physik, Gewinner des Scopus Award Russia 2015 und Autor von mehr als 60 Veröffentlichungen in internationalen Zeitschriften wie Naturphysik, Naturkommunikation, Nano Letters, ACS Nano, J. Phys. Chem. Lette. usw.

Ein wesentlicher Teil der Arbeit von Sorokin P. widmet sich dem schnell wachsenden Gebiet der Materialwissenschaften zweidimensionaler Nanostrukturen, das aus dem Moment der Herstellung und Untersuchung von Graphen (dem ersten einatomigen Film) stammt . Die interessanten Eigenschaften von Graphen ermöglichen es uns, es als Grundlage für die zukünftige Nanoelektronik zu betrachten.

Ein Beispiel für eine Folie aus zweidimensionalem Graphen (Abbildung Natur .)

Pavel Borisovich Sorokin
Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften
Leitender Forscher im Labor "Anorganische Nanomaterialien" NUST "MISiS"

Eines der sich schnell entwickelnden Themen der modernen Materialwissenschaft sind zweidimensionale Filme und darauf basierende Materialien. Hunderte von wissenschaftlichen Gruppen auf der ganzen Welt arbeiten in diesem Bereich (einschließlich des Teams von NUST „MISiS“ unter meiner Leitung), Dutzende von Konferenzen widmen sich ihnen jährlich und riesige Geldbeträge werden für die Forschung bereitgestellt. Die Frage ist natürlich - warum sind zweidimensionale Filme so interessant? In diesem Artikel werde ich versuchen, diese Frage kurz zu beantworten und meine Meinung zu den Perspektiven für die Entwicklung dieses Wissenschaftsbereichs zu äußern.

Feige. 1. Zweidimensionale Strukturen a) NbSe2 b) Graphit c) Bi2Sr2CaCu2Ox, d) MoS2. Maßstab: 1 Mikron. Die Bilder a und b wurden mit einem Rasterkraftmikroskop erhalten, c mit einem Rastertunnelmikroskop, d mit einem optischen Mikroskop.

Alles begann im Jahr 2004 mit einem wissenschaftlichen Artikel in Science und PNAS , in dem die Autoren über die erfolgreiche Trennung einzelner Schichten atomarer Dicke von verschiedenen Schichtkristallen berichteten (siehe Abb. 1) . Diese Arbeiten markierten den Beginn einer neuen Ära in der modernen Materialwissenschaft, und ihre Hauptautoren, K.S. Novoselov und A.K. Spiel (Universität von Manchester, UK)teilte schließlich den Nobelpreis. Zunächst konzentrierte sich das von Game geleitete Team auf die Untersuchung einer Kohlenmonoschicht - Graphen. In diesem Material wurde eine große Anzahl neuer physikalischer Effekte entdeckt - dies zeigt sich in dem raschen Anstieg der Anzahl von Artikeln, die sich mit der Untersuchung von Graphen befassen. Wenn es 2004 20 gab, wurden erst 2014 mehr als 10.000 Werke veröffentlicht. Aber neben Graphen gibt es eine große Familie anderer zweidimensionaler Filme, deren Untersuchung noch nicht begonnen hat - es gibt einfach nicht genug Kraft.

Feige. 2. Anzahl der Veröffentlichungen mit dem Wort „Graphen“ im Titel (Stand September 2015 laut WoS)

Graphen hat eine hohe mechanische Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit, und der Rekordwert der Ladungsträgermobilität macht es zu einem vielversprechenden Material für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere als zukünftige Basis der Elektronik. Graphen hat eine einzigartige Eigenschaft - eine lineare Abhängigkeit der Energie von Ladungsträgern (Elektronen und Löcher) - vom Quasimomentum. In der Natur gibt es Teilchen, deren Energie auch linear vom Impuls abhängt - das sind Photonen. Photonen haben keine Ruhemasse und ihre Geschwindigkeit entspricht der Lichtgeschwindigkeit. Somit könnte der bereits entwickelte mathematische Apparat zur Beschreibung relativistischer Teilchen verwendet werden, um das Verhalten von Elektronen und Löchern in Graphen zu beschreiben, was sofort zu der folgenden bemerkenswerten Entdeckung von M.I. Katznelson - Kleins Paradoxon in Graphen. Dieses Paradoxon entsteht, wenn man das Problem des Eindringens eines relativistischen Teilchens durch eine Hochpotentialbarriere betrachtet. Für den Fall von Graphen wurde gezeigt, dass jede Potentialbarriere in Graphen transparent ist, wenn normalerweise Elektronen oder Löcher darauf treffen. Eine wichtige Folge ist die Schwierigkeit der Lokalisierung von Ladungsträgern in Graphen.

Zusätzlich zu seinen bemerkenswerten elektronischen Eigenschaften weist Graphen beeindruckende mechanische Eigenschaften auf. Die starken kovalenten Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen in Graphen machen es zum haltbarsten Material, das jemals vom Menschen erhalten wurde.. Die longitudinalen elastischen Konstanten von Graphen überschreiten deutlich die ähnlichen Werte des vorherigen Rekordhalters - Diamant. Die Stärke von Graphen ist so, dass sein meterlanges Blatt theoretisch eine vier Kilogramm schwere Katze aufnehmen kann. Gleichzeitig ist der Film selbst leicht, ein Gramm Graphen kann ein Fußballfeld bedecken!

Viele Technologieunternehmen interessierten sich für solch erstaunliches Material, ganze Institute, die sich ausschließlich der Erforschung von Graphen widmeten, tauchten in verschiedenen Ländern der Welt auf, und seit 2013 wurde in Europa ein umfangreiches Graphen-Flaggschiff- Programm durchgeführtim Wert von einer Milliarde Euro, um die Verwendung von Graphen in verschiedenen Bereichen der menschlichen Tätigkeit zu erforschen. Anfangs schien Graphen zu einer wissenschaftlichen und technologischen Revolution in einer Vielzahl von Bereichen zu führen - von der Elektronik bis zu Verbundwerkstoffen. Nachfolgend finden Sie die Prognose für die Einführung von Geräten auf Graphen aus einem Artikel von K.S. Novoselova. Seiner Meinung nach ist die wahrscheinlichste Anwendung die Basis für einen Touchscreen, elektronisches Papier oder organische Leuchtdioden. Transistoren und andere darauf basierende logische Geräte werden erst in 10 bis 20 Jahren erwartet.

Warum ist Graphen schwer zu verwenden? Die darin enthaltenen Ladungsträger sind wesentlich beweglicher als in den bereits bekannten Halbleitermaterialien - Silizium, Diamant oder Galliumarsenid. Dies bedeutet, dass Geräte auf Graphenbasis rekordverdächtige Eigenschaften aufweisen müssen. Die semimetallischen Eigenschaften von Graphen sowie das Klein-Paradoxon behindern jedoch seine direkte Anwendung in der Halbleiterelektronik. Es gibt viele Arbeiten, in denen versucht wurde, Graphen in einen herkömmlichen Halbleiter umzuwandeln, was jedoch zu einer signifikanten Verschlechterung seiner Transporteigenschaften führte - die Mobilität der Ladungsträger nahm ab, was dem Material einen großen Vorteil nahm.

Diese Eigenschaften von Graphen bedeuten jedoch nicht, dass es keine Anwendungsaussichten hat. Dieses Material kann beispielsweise als Sensor mit extremer Empfindlichkeit verwendet werden - es kann einzelne Moleküle erfassen. Die hohe Leitfähigkeit von Graphen ermöglicht die Verwendung als Basis für leitfähige Tinten. Die Transparenz (Graphen absorbiert nur 2% des Lichts) und die Flexibilität des Films machen Graphen zu einer idealen transparenten leitenden Elektrode, wodurch eine neue Generation von Touchscreens entsteht. Die Basis dieser Geräte ist nun Indiumzinnoxid, das nicht für flexible Displays geeignet ist. Dies erfordert die Schaffung von Methoden zur Herstellung von Graphen in makroskopischen Mengen, die von zwei Giganten - Samsung und Sony - beschlossen wurden. Samsung kündigte auch den erfolgreichen Test eines Prototyps eines flexiblen Touch-Displays anauf Graphenbasis . Trotz der Tatsache, dass die erhaltene Graphenschicht eine polykristalline Struktur aufweist (bestehend aus einzelnen Graphenfragmenten, die durch chemische Bindungen zu eindimensionalen Grenzflächen verbunden sind), erwiesen sich ihre Leitfähigkeitseigenschaften für die Verwendung in der Produktion als durchaus akzeptabel.

Touchscreens Graphen: Rice University dann Video (dt.)

Andere zweidimensionale Materialien ziehen ebenfalls die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich. Zunächst erregten Bornitrid , ein isoelektronisches Nitrid (mit der gleichen Anzahl von Elektronen pro Molekül) und ein isostrukturelles Kohlenstoffanalogon Interesse : Es hat auch diamantartige und Graphitphasen und sogar eine Karabinerphase (eine Atomkette, in der sich Stickstoff- und Boratome abwechseln). Es gibt auch Bornitrid-Nanoröhren, daher ist es nicht überraschend, dass ein zweidimensionaler BN-Film erfolgreich erhalten wurde. Im Gegensatz zu Graphen ist Bornitrid ein Dielektrikum, das nur als Isolator verwendet werden kann.

Forscher haben ihre Aufmerksamkeit auch auf Übergangsmetalldichalkogenide gerichtet.mit der chemischen Zusammensetzung MX2, wobei M ein Übergangsmetall ist (zum Beispiel Mo, W, V und andere) und X ein Chalkogen (Schwefel, Selen oder Tellur) ist. Dies ist eine große Materialfamilie, die meisten haben eine Schichtphase, die in zweidimensionale Schichten unterteilt werden kann. Im Gegensatz zu Graphen und Bornitrid ist eine separate Schicht aus Übergangsmetalldisulfiden ein „Sandwich“ aus zwei Chalkogenidschichten, die in der Mitte chemisch an eine Metallschicht gebunden sind. Dichalkogenide von Übergangsmetallen können abhängig von der chemischen Zusammensetzung sowohl metallische als auch Halbleitereigenschaften aufweisen. Dies stieß auf großes Interesse an diesen Materialien: Beispielsweise wurden Prototypen von Nanotransistoren, Elemente des optoelektronischen Speichers und verschiedene Sensoren auf Basis von MoS2 erstellt. In diesem Fall ist die Mobilität der Ladungsträger dieses Materials immer noch erheblich geringer als die von Graphen. Damit,theoretische Schätzungen erlauben es uns, von 400 cm2 / Vs (bei Raumtemperatur) zu sprechen, während es im Experiment möglich war, Werte zu erreichen, die zehnmal kleiner sind. Dies ist niedriger als das von Silizium (100 cm² / Vs) und signifikant niedriger als das von Graphen (> 10000 cm² / Vs). Studien dieser Strukturen sind jedoch noch lange nicht abgeschlossen. Natürlich haben Übergangsmetalldichalkogenide interessante elektronische und magnetische Eigenschaften, die noch untersucht werden müssen.Übergangsmetalldichalkogenide haben interessante elektronische und magnetische Eigenschaften, die noch untersucht werden müssen.Übergangsmetalldichalkogenide haben interessante elektronische und magnetische Eigenschaften, die noch untersucht werden müssen.

Die Vielfalt der zweidimensionalen Filme macht die Frage der Schaffung von darauf basierenden Heterostrukturen natürlich. Wenn beispielsweise Bornitrid und Graphen in einer Ebene verbunden sind, kann ein Film mit abwechselnd leitenden und nichtleitenden Bereichen erhalten werden. Dies wurde erfolgreich in einer Reihe von Studien durchgeführt, in denen zweidimensionale Strukturen erhalten wurden, die beide Phasen von h-BN und Graphen enthielten ( siehe Abbildung)

Es ist auch interessant, eine quasi zweidimensionale Heterostruktur zu erhalten - die Kombination mehrerer Blätter verschiedener Zusammensetzungen. Diese Richtung entwickelt sich jetzt aktiv, und die ersten Ergebnisse wurden bereits erzielt - beispielsweise wurde in der Novosyolov-Gruppe ein Material erhalten, das aus Graphen (das die Rolle einer Elektrode spielt, der Strom zugeführt wird), Bornitrid (das die Rolle einer Tunnelbarriere spielt) und Übergangsmetalldichalkogeniden mit einer Gesamtzahl besteht Schichten von 10 bis 40. Eine solche Heterostruktur kann Licht von der gesamten Oberfläche emittieren, wenn ein elektrischer Strom durch sie geleitet wird, dh es handelt sich um eine ultradünne und ultraflexible LED. Es ist wichtig zu beachten, dass die Eigenschaften der Heterostruktur vollständig von der Art und Anordnung der zweidimensionalen Schichten abhängen.

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

Alle diese Ergebnisse zeigen die rasche Entwicklung des Feldes zweidimensionaler Materialien. Auf der GrapITA'2015-Konferenz, auf der ich kürzlich eine Präsentation hielt, zeigten mehrere Unternehmen Verbundwerkstoffe und -geräte auf Graphenbasis. Die Vielfalt der verschiedenen Prototypen lässt darauf schließen, dass die Entwicklung der Region auf technologische Anwendungen ausgerichtet ist. Dies bedeutet jedoch nicht, dass grundlegende Untersuchungen zweidimensionaler Strukturen abgeschlossen sind. Eine große Familie zweidimensionaler Filme birgt immer noch viele Geheimnisse und mögliche Anwendungen.

Feige. 4. Stand der Graphenfabrik auf der GrapITA'2015.

Expertenmeinung: Zweidimensionale Materialien, ihre Eigenschaften und Perspektiven

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