🤪 👘 👴 Opinión experta: materiales bidimensionales, sus propiedades y perspectivas 💅🏽 👻 👩🏾‍✈️

Hoy decidimos informarle sobre materiales bidimensionales únicos (grafeno, nitruro de boro, etc.) , sus propiedades y perspectivas de estudio, para cuyo descubrimiento en 2010 se otorgó el Premio Nobel.
Con una solicitud para escribir para nuestro blog corporativo sobre GT, recurrimos a uno de los jóvenes científicos más talentosos, un investigador líder en el Laboratorio de Nanomateriales Inorgánicos , doctor en ciencias físicas y matemáticas, Pavel Borisovich Sorokin . En el laboratorio, sobre el cual se publicó un pequeño informe en el primer canal hace una semana , bajo el liderazgo del científico líder Dmitry GolbergPavel está trabajando en el modelado de compuestos de nueva generación endurecidos con varias nanoestructuras. A pesar de su corta edad (33 años) , Pavel Borisovich Sorokin ya ha recibido el reconocimiento de la comunidad científica mundial y, por supuesto, es un experto en su campo, como lo demuestra la experiencia de los estudios internacionales. Pavel es el ganador del Premio Academia Europaea Russian Club para jóvenes científicos en física, el ganador del Premio Scopus Rusia 2015 y autor de más de 60 publicaciones en revistas internacionales como Nature Physics, Nature Communications, Nano Letters, ACS Nano, J. Phys. Chem Letón. y etc.

Una parte importante del trabajo de Sorokin P. dedicado al campo en rápido crecimiento de la ciencia de los materiales de nanoestructuras bidimensionales, que se originan desde el momento de la producción y el estudio del grafeno (la primera película monoatómica) . Las interesantes propiedades del grafeno nos permiten considerarlo como la base de la futura nanoelectrónica.

Un ejemplo de una hoja de grafeno bidimensional (Ilustración Naturaleza ).

Pavel Borisovich Sorokin
Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas
Investigador líder en el laboratorio "Nanomateriales inorgánicos" NUST "MISiS"

Uno de los temas en rápido desarrollo de la ciencia moderna de los materiales son las películas bidimensionales y los materiales basados en ellas. Cientos de grupos científicos de todo el mundo trabajan en esta área (incluido el equipo de NUST "MISiS" bajo mi liderazgo), docenas de conferencias se dedican a ellos anualmente, y se asignan enormes cantidades de dinero para la investigación. La pregunta es natural: ¿por qué las películas bidimensionales son tan interesantes? En este artículo intentaré responder brevemente esta pregunta, así como expresar mi opinión sobre las perspectivas para el desarrollo de este campo de la ciencia.

Higo. 1. Estructuras bidimensionales a) NbSe2 b) grafito c) Bi2Sr2CaCu2Ox, d) MoS2. Escala: 1 micron. Las imágenes ayb se obtuvieron con un microscopio de fuerza atómica, c con un microscopio de túnel de barrido, d con un microscopio óptico.

Todo comenzó en 2004 con un artículo científico en Science y PNAS , en el que los autores informaron sobre la separación exitosa de capas individuales de espesor atómico de varios cristales en capas (ver Fig. 1) . Estos trabajos marcaron el comienzo de una nueva era en la ciencia moderna de los materiales, y sus principales autores, K.S. Novoselov y A.K. Juego (Universidad de Manchester, Reino Unido)finalmente compartió el Premio Nobel. Al principio, el equipo dirigido por Game se centró en el estudio de una monocapa de carbono: el grafeno. Se descubrió una gran cantidad de nuevos efectos físicos en este material; esto se puede ver en el rápido crecimiento en el número de artículos dedicados al estudio del grafeno, si en 2004 hubo 20, solo en 2014 se publicaron más de 10,000 trabajos. Pero además del grafeno, hay una gran familia de otras películas bidimensionales, cuyo estudio aún no ha comenzado, simplemente no hay suficiente fuerza.

Higo. 2. Número de publicaciones con la palabra "grafeno" en el título (a partir de septiembre de 2015, según WoS)

El grafeno tiene una alta rigidez mecánica y una alta conductividad térmica, y el valor récord de la movilidad del portador de carga lo convierte en un material prometedor para su uso en una amplia variedad de aplicaciones, en particular, como la base futura de la electrónica. El grafeno tiene una característica única: una dependencia lineal de la energía de los portadores de carga (electrones y huecos) del cuasimomento. En la naturaleza, hay partículas cuya energía también depende linealmente del impulso: estos son fotones. Los fotones tienen masa en reposo cero, y su velocidad es igual a la velocidad de la luz. Por lo tanto, el aparato matemático ya desarrollado para describir partículas relativistas podría usarse para describir el comportamiento de los electrones y los agujeros en el grafeno, lo que inmediatamente condujo al siguiente descubrimiento notable de M.I. Katznelson - La paradoja de Klein en el grafeno. Esta paradoja surge cuando se considera el problema de la penetración de una partícula relativista a través de una barrera de alto potencial. Para el caso del grafeno, se demostró que cualquier barrera potencial en el grafeno es transparente cuando los electrones o agujeros normalmente inciden en él. Una consecuencia importante es la dificultad de localización de los portadores de carga en grafeno.

Además de sus notables propiedades electrónicas, el grafeno tiene impresionantes propiedades mecánicas. Los fuertes enlaces covalentes entre los átomos de carbono en el grafeno lo convierten en el material más duradero jamás obtenido por el hombre.. Las constantes elásticas longitudinales del grafeno superan significativamente los valores similares del récord anterior: el diamante. La fuerza del grafeno es tal que su lámina de un metro de longitud es teóricamente capaz de sostener un gato de cuatro kilogramos. Al mismo tiempo, la película en sí es ligera, ¡un gramo de grafeno puede cubrir un campo de fútbol!

Muchas compañías tecnológicas se interesaron en este material tan sorprendente, comenzaron a aparecer institutos enteros dedicados exclusivamente al estudio del grafeno en diferentes países del mundo, y desde 2013 se ha implementado un programa emblemático de grafeno a gran escala en Europa.por un valor de mil millones de euros, destinado a investigar el uso de grafeno en diversos campos de la actividad humana. Inicialmente, parecía que el grafeno conduciría a una revolución científica y tecnológica en una variedad de campos, desde la electrónica hasta los materiales compuestos. A continuación se muestra el pronóstico para la introducción de dispositivos en grafeno de un artículo de K.S. Novoselova En su opinión, la aplicación más probable es la base de una pantalla táctil, papel electrónico o diodos orgánicos emisores de luz. Los transistores y otros dispositivos lógicos basados en él se esperan solo en 10-20 años.

¿Por qué el grafeno es difícil de usar? Los portadores de carga tienen una movilidad mucho mayor que en los materiales semiconductores ya conocidos: silicio, diamante o arseniuro de galio. Esto significa que los dispositivos basados en grafeno deben tener características récord. Sin embargo, las propiedades semimetálicas del grafeno, así como la paradoja de Klein, dificultan su aplicación directa en la electrónica de semiconductores. Hay muchos trabajos en los que se hicieron intentos para transformar el grafeno en un semiconductor convencional, pero esto condujo a un deterioro significativo en sus propiedades de transporte: la movilidad de los portadores de carga disminuyó, lo que privó al material de una gran ventaja.

Sin embargo, estas características del grafeno no significan que no tenga perspectivas de aplicación. Por ejemplo, este material puede usarse como un sensor de extrema sensibilidad: puede detectar moléculas individuales. La alta conductividad del grafeno permite su uso como base para tintas conductoras, y la transparencia (el grafeno absorbe solo el 2% de la luz) y la flexibilidad de la película hacen del grafeno un electrodo conductor transparente ideal, que creará una nueva generación de pantallas táctiles. Ahora la base de estos dispositivos es el óxido de indio y estaño, no apto para pantallas flexibles. Esto requiere la creación de métodos para producir grafeno en cantidades macroscópicas, que fue decidido por dos gigantes: Samsung y Sony. Samsung también anunció la prueba exitosa de un prototipo de pantalla táctil flexible ena base de grafeno . A pesar de que la lámina de grafeno obtenida tiene una estructura policristalina (que consiste en fragmentos de grafeno individuales conectados por enlaces químicos para formar interfaces unidimensionales), sus características conductoras resultaron ser bastante aceptables para su uso en la producción.

Pantallas táctiles de grafeno: Rice University y luego Video (ing.)

Otros materiales bidimensionales también atraen la atención de los investigadores. En primer lugar, el nitruro de boro , un nitruro isoelectrónico (que tiene el mismo número de electrones por molécula) y un análogo de carbono isoestructural , era de interés : también tiene fases de grafito y de diamante e incluso una fase de carabina (cadena atómica en la que se alternan los átomos de nitrógeno y boro). También hay nanotubos de nitruro de boro; por lo tanto, no es sorprendente que se haya obtenido con éxito una película BN bidimensional. A diferencia del grafeno, el nitruro de boro es un dieléctrico; solo puede usarse como aislante.

Los investigadores también han centrado su atención en dichoslcogenuros de metales de transición.que tiene la composición química MX2, donde M es un metal de transición (por ejemplo, Mo, W, V y otros), y X es un calcógeno (azufre, selenio o teluro). Esta es una gran familia de materiales, la mayoría tiene una fase en capas que se puede dividir en capas bidimensionales. Pero, a diferencia del grafeno y el nitruro de boro, una capa separada de disulfuros de metales de transición es un "emparedado" de dos capas de calcogenuro químicamente unidas a una capa de metal en el medio. Los dichalcogenuros de metales de transición pueden exhibir propiedades tanto metálicas como semiconductoras dependiendo de la composición química. Esto causó gran interés en estos materiales: por ejemplo, se crearon prototipos de nanotransistores, elementos de memoria optoelectrónica y varios sensores basados en MoS2. En este caso, la movilidad de los portadores de carga de este material sigue siendo significativamente menor que la del grafeno. Entonces,Las estimaciones teóricas nos permiten hablar de 400 cm2 / V.sec (a temperatura ambiente), mientras que en el experimento fue posible lograr valores que son decenas de veces más pequeños. Esto es más bajo que el del silicio (100 cm2 / V.sec) y significativamente más bajo que el del grafeno (> 10000 cm2 / V.sec). Sin embargo, los estudios de estas estructuras están lejos de ser completos. Por supuesto, los dichoslcogenuros de metales de transición tienen interesantes propiedades electrónicas y magnéticas que aún no se han estudiado.los dichoslcogenuros de metales de transición tienen interesantes propiedades electrónicas y magnéticas que aún no se han estudiado.los dichoslcogenuros de metales de transición tienen interesantes propiedades electrónicas y magnéticas que aún no se han estudiado.

La variedad de películas bidimensionales hace que la cuestión de crear heteroestructuras basadas en ellas sea natural. Por ejemplo, si el nitruro de boro y el grafeno se unen en un plano, se puede obtener una película con regiones conductoras y no conductoras alternas. Esto se llevó a cabo con éxito en una serie de estudios donde se obtuvieron estructuras bidimensionales que contenían ambas fases de h-BN y grafeno, ver figura

También es interesante obtener una heteroestructura cuasi-bidimensional : la combinación de varias hojas de varias composiciones. Esta dirección ahora se está desarrollando activamente, y los primeros resultados ya se han obtenido, por ejemplo, en el grupo Novosyolov se obtuvo un material que consiste en grafeno (que desempeña el papel de un electrodo al que se suministra corriente), nitruro de boro (que desempeña el papel de una barrera de túnel) y dichoslcogenuros de metales de transición con un número total capas de 10 a 40. Dicha heteroestructura es capaz de emitir luz de toda la superficie cuando una corriente eléctrica pasa a través de ella, es decir, es un LED ultrafino y ultraflexible. Es importante tener en cuenta que las propiedades de la heteroestructura dependen completamente del tipo y disposición de las capas bidimensionales.

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

Todos estos resultados indican el rápido desarrollo del campo de los materiales bidimensionales. En la conferencia GrapITA'2015, donde recientemente hice una presentación, varias compañías demostraron materiales y dispositivos compuestos a base de grafeno. La variedad de diferentes prototipos sugiere que el desarrollo de la región va a la aplicación tecnológica. Sin embargo, esto no significa que se completen los estudios fundamentales de las estructuras bidimensionales, una gran familia de películas bidimensionales aún guarda muchos secretos y aplicaciones potenciales.

Higo. 4. Stand de Graphene Factory en GrapITA'2015.

Opinión experta: materiales bidimensionales, sus propiedades y perspectivas

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