👨🏽‍✈️ 😂 ❓ Opinion d'expert: Matériaux bidimensionnels, leurs propriétés et perspectives ℹ️ 👩‍👩‍👦‍👦 👏🏻

Aujourd'hui, nous avons décidé de vous parler de matériaux bidimensionnels uniques (graphène, nitrure de bore, etc.) , de leurs propriétés et perspectives d'étude, pour la découverte desquels en 2010 le prix Nobel a été décerné.
Avec une demande d'écriture pour notre blog d'entreprise sur GT, nous nous sommes tournés vers l'un des jeunes scientifiques les plus talentueux, un chercheur de premier plan au laboratoire des nanomatériaux inorganiques , docteur en sciences physiques et mathématiques, Pavel Borisovich Sorokin . Dans le laboratoire, à propos duquel un petit reportage a été publié sur la première chaîne il y a une semaine , sous la direction du célèbre scientifique Dmitry GolbergPavel travaille sur la modélisation de composites de nouvelle génération durcis avec différentes nanostructures. Malgré son jeune âge (33 ans) , Pavel Borisovich Sorokin a déjà reçu la reconnaissance de la communauté scientifique mondiale et, bien sûr, est un expert dans son domaine, comme en témoigne l'expérience des études internationales. Pavel est le lauréat de l' Academia Europaea Russian Club Award pour les jeunes scientifiques en physique, le lauréat du Scopus Award Russia 2015 et l'auteur de plus de 60 publications dans des revues internationales telles que Nature Physics, Nature Communications, Nano Letters, ACS Nano, J. Phys. Chem. Lett. et etc.

Une partie importante du travail de Sorokin P. consacré au domaine en pleine expansion de la science des matériaux des nanostructures bidimensionnelles, issu du moment de la production et de l'étude du graphène (le premier film monatomique) . Les propriétés intéressantes du graphène nous permettent de le considérer comme la base de la nanoélectronique future.

Un exemple de feuille de graphène bidimensionnel (Illustration Nature .)

Pavel Borisovich Sorokin
Docteur ès Sciences Physiques et Mathématiques
Chercheur Principal au Laboratoire "Nanomatériaux Inorganiques" NUST "MISiS"

L'un des sujets en développement rapide de la science moderne des matériaux est les films bidimensionnels et les matériaux basés sur eux. Des centaines de groupes scientifiques à travers le monde travaillent dans ce domaine (y compris l'équipe de NUST «MISiS» sous ma direction), des dizaines de conférences leur sont consacrées chaque année et d'énormes sommes d'argent sont allouées à la recherche. La question est naturelle - pourquoi les films en deux dimensions sont-ils si intéressants? Dans cet article, je vais essayer de répondre brièvement à cette question, ainsi que d'exprimer mon opinion sur les perspectives de développement de ce domaine scientifique.

Figure. 1. Structures bidimensionnelles a) NbSe2 b) graphite c) Bi2Sr2CaCu2Ox, d) MoS2. Échelle: 1 micron. Les images a et b ont été obtenues avec un microscope à force atomique, c avec un microscope à effet tunnel, d avec un microscope optique.

Tout a commencé en 2004 avec un article scientifique dans Science et PNAS , dans lequel les auteurs ont rendu compte de la séparation réussie de couches individuelles d'épaisseur atomique de divers cristaux stratifiés (voir Fig. 1) . Ces travaux ont marqué le début d'une nouvelle ère dans la science moderne des matériaux, et leurs principaux auteurs, K.S. Novoselov et A.K. Game (Université de Manchester, Royaume-Uni)finalement partagé le prix Nobel. Dans un premier temps, l'équipe dirigée par Game s'est concentrée sur l'étude d'une monocouche de carbone - graphène. Un grand nombre de nouveaux effets physiques ont été découverts dans ce matériau - cela peut être vu dans la croissance rapide du nombre d'articles consacrés à l'étude du graphène, si en 2004 il y en avait 20, alors seulement en 2014 plus de 10000 ouvrages ont été publiés. Mais à côté du graphène, il existe une grande famille d'autres films en deux dimensions, dont l'étude n'a pas encore commencé - il n'y a tout simplement pas assez de force.

Figure. 2. Nombre de publications avec le mot «graphène» dans le titre (en septembre 2015, selon WoS)

Le graphène a une rigidité mécanique élevée et une conductivité thermique élevée, et la valeur record de la mobilité du porteur de charge en fait un matériau prometteur pour une utilisation dans une grande variété d'applications, en particulier, en tant que future base de l'électronique. Le graphène a une caractéristique unique - une dépendance linéaire de l'énergie des porteurs de charge (électrons et trous) - sur le quasimomentum. Dans la nature, il y a des particules dont l'énergie dépend aussi linéairement de la quantité de mouvement - ce sont des photons. Les photons ont une masse au repos nulle et leur vitesse est égale à la vitesse de la lumière. Ainsi, l'appareil mathématique déjà développé pour décrire les particules relativistes pourrait être utilisé pour décrire le comportement des électrons et des trous dans le graphène, ce qui a immédiatement conduit à la découverte remarquable suivante par M.I. Katznelson - Le paradoxe de Klein dans le graphène. Ce paradoxe apparaît lorsque l'on considère le problème de la pénétration d'une particule relativiste à travers une barrière à fort potentiel. Dans le cas du graphène, il a été démontré que toute barrière potentielle dans le graphène est transparente lorsque des électrons ou des trous y sont normalement incidents. Une conséquence importante est la difficulté de localisation des porteurs de charge dans le graphène.

En plus de ses propriétés électroniques remarquables, le graphène possède des propriétés mécaniques impressionnantes. Les fortes liaisons covalentes entre les atomes de carbone du graphène en font le matériau le plus durable jamais obtenu par l'homme.. Les constantes élastiques longitudinales du graphène dépassent considérablement les valeurs similaires du précédent détenteur du record - le diamant. La force du graphène est telle que sa feuille d'un mètre de long est théoriquement capable de contenir un chat de quatre kilogrammes. Dans le même temps, le film lui-même est léger, un gramme de graphène peut recouvrir un terrain de football!

De nombreuses entreprises technologiques se sont intéressées à un matériau aussi étonnant, des instituts entiers dédiés exclusivement à l'étude du graphène ont commencé à apparaître dans différents pays du monde et, depuis 2013, un programme phare sur le graphène à grande échelle a été mis en œuvre en Europe.d'un milliard d'euros, destiné à la recherche sur l'utilisation du graphène dans différents domaines de l'activité humaine. Initialement, il semblait que le graphène entraînerait une révolution scientifique et technologique dans une variété de domaines - de l'électronique aux matériaux composites. Voici les prévisions pour l'introduction de dispositifs sur le graphène à partir d'un article de K.S. Novoselova. À son avis, l'application la plus probable est la base d'un écran tactile, de papier électronique ou de diodes électroluminescentes organiques. Les transistors et autres dispositifs logiques basés sur celui-ci ne sont attendus que dans 10 à 20 ans.

Pourquoi le graphène est-il difficile à utiliser? Les porteurs de charge y ont une mobilité beaucoup plus grande que dans les matériaux semi-conducteurs déjà connus - silicium, diamant ou arséniure de gallium. Cela signifie que les appareils à base de graphène doivent avoir des caractéristiques record. Cependant, les propriétés semi-métalliques du graphène, ainsi que le paradoxe de Klein, entravent son application directe en électronique semi-conductrice. Il existe de nombreux travaux dans lesquels des tentatives ont été faites pour transformer le graphène en semi-conducteur conventionnel, mais cela a conduit à une détérioration significative de ses propriétés de transport - la mobilité des porteurs de charge a diminué, ce qui a privé le matériau d'un avantage majeur.

Cependant, ces caractéristiques du graphène ne signifient pas qu'il n'a aucune perspective d'application. Par exemple, ce matériau peut être utilisé comme capteur d'une extrême sensibilité - il peut détecter des molécules individuelles. La conductivité élevée du graphène lui permet d'être utilisé comme base pour les encres conductrices, et la transparence (le graphène n'absorbe que 2% de la lumière) et la flexibilité du film font du graphène une électrode conductrice transparente idéale, qui créera une nouvelle génération d'écrans tactiles. Maintenant, la base de ces appareils est l'oxyde d'étain et d'indium, ne convient pas aux écrans flexibles. Cela nécessite la création de méthodes de production de graphène en quantités macroscopiques, ce qui a été décidé par deux géants - Samsung et Sony. Samsung a également annoncé le succès des tests d'un prototype d'écran tactile flexible surà base de graphène . Malgré le fait que la feuille de graphène obtenue a une structure polycristalline (constituée de fragments de graphène individuels liés par des liaisons chimiques pour former des interfaces unidimensionnelles), ses caractéristiques conductrices se sont avérées tout à fait acceptables pour une utilisation en production.

Écrans tactiles graphène: Rice University puis Video (eng.)

D'autres matériaux bidimensionnels attirent également l'attention des chercheurs. Tout d'abord, le nitrure de bore , isoélectronique (ayant le même nombre d'électrons par molécule) et l'analogue de carbone isostructural , était intéressant : il possède également des phases diamant et graphite et même une phase carabine (chaîne atomique dans laquelle alternent des atomes d'azote et de bore). Il existe également des nanotubes de nitrure de bore; il n'est donc pas surprenant qu'un film BN bidimensionnel ait été obtenu avec succès. Contrairement au graphène, le nitrure de bore est un diélectrique; il ne peut être utilisé que comme isolant.

Les chercheurs ont également porté leur attention sur les dichalcogénures de métaux de transition.ayant la composition chimique MX2, où M est un métal de transition (par exemple, Mo, W, V et autres), et X est un chalcogène (soufre, sélénium ou tellure). Il s'agit d'une grande famille de matériaux, la plupart ont une phase en couches qui peut être divisée en couches bidimensionnelles. Mais, contrairement au graphène et au nitrure de bore, une couche distincte de disulfures de métaux de transition est un «sandwich» de deux couches de chalcogénure liées chimiquement à une couche métallique au milieu. Les dichalcogénures des métaux de transition peuvent présenter des propriétés à la fois métalliques et semi-conductrices selon la composition chimique. Cela a suscité un grand intérêt pour ces matériaux: par exemple, des prototypes de nanotransistors, des éléments de mémoire optoélectronique et divers capteurs ont été créés sur la base de MoS2. Dans ce cas, la mobilité des porteurs de charge de ce matériau est encore nettement inférieure à celle du graphène. Donc,les estimations théoriques nous permettent de parler de 400 cm2 / V.sec (à température ambiante), alors que dans l'expérience, il a été possible d'atteindre des valeurs qui sont des dizaines de fois plus petites. Elle est inférieure à celle du silicium (100 cm2 / V.sec) et nettement inférieure à celle du graphène (> 10000 cm2 / V.sec). Cependant, les études de ces structures sont loin d'être terminées. Bien entendu, les dichalcogénures de métaux de transition ont des propriétés électroniques et magnétiques intéressantes qui n'ont pas encore été étudiées.Les dichalcogénures de métaux de transition ont des propriétés électroniques et magnétiques intéressantes qui doivent encore être étudiées.Les dichalcogénures de métaux de transition ont des propriétés électroniques et magnétiques intéressantes qui n'ont pas encore été étudiées.

La variété des films bidimensionnels rend naturelle la question de créer des hétérostructures à partir de ceux-ci. Par exemple, si le nitrure de bore et le graphène sont joints dans un plan, un film avec des régions conductrices et non conductrices alternées peut être obtenu. Cela a été réalisé avec succès dans un certain nombre d'études où des structures bidimensionnelles contenant les deux phases de h-BN et de graphène ont été obtenues, voir figure

Il est également intéressant d'obtenir une hétérostructure quasi bidimensionnelle - la combinaison de plusieurs feuilles de compositions diverses. Cette direction se développe activement et les premiers résultats ont déjà été obtenus - par exemple, dans le groupe Novosyolov, un matériau a été obtenu composé de graphène (jouant le rôle d'électrode alimentée en courant), de nitrure de bore (jouant le rôle de barrière tunnel) et de dichalcogénures de métaux de transition avec un nombre total couches de 10 à 40. Une telle hétérostructure est capable d'émettre de la lumière de toute la surface lorsqu'un courant électrique la traverse, c'est-à-dire qu'il s'agit d'une LED ultra-mince et ultra-flexible. Il est important de noter que les propriétés de l'hétérostructure dépendent complètement du type et de la disposition des couches bidimensionnelles.

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

Tous ces résultats indiquent le développement rapide du domaine des matériaux bidimensionnels. Lors de la conférence GrapITA'2015, où j'ai récemment fait une présentation, plusieurs sociétés ont fait la démonstration de matériaux et dispositifs composites à base de graphène. La variété des différents prototypes suggère que le développement de la région va à l'application technologique. Cependant, cela ne signifie pas que les études fondamentales des structures bidimensionnelles sont terminées, une énorme famille de films bidimensionnels détient encore de nombreux secrets et applications potentielles.

Figure. 4. Stand de Graphene Factory à GrapITA'2015.

Opinion d'expert: Matériaux bidimensionnels, leurs propriétés et perspectives

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