🔇 🧑🏻 🔖 विशेषज्ञ की राय: दो आयामी सामग्री, उनके गुण और संभावनाएं 🧖🏿 📯 👨🏼‍🎓

आज हमने आपको अद्वितीय दो-आयामी सामग्रियों (ग्राफीन, बोरान नाइट्राइड, आदि) , उनके गुणों और अध्ययन की संभावनाओं के बारे में बताने का फैसला किया , जिनकी खोज के लिए 2010 में नोबेल पुरस्कार दिया गया था। जीटी पर
अपने कॉर्पोरेट ब्लॉग के लिए लिखने के अनुरोध के साथ , हम सबसे प्रतिभाशाली युवा वैज्ञानिकों में से एक में बदल गए, अकार्बनिक नैनोमैटिरियल्स लेबोरेटरी के एक प्रमुख शोधकर्ता , शारीरिक और गणितीय विज्ञान के डॉक्टर, पावेल बोरिसोविच सोरोकिन । प्रयोगशाला में, जिसके बारे में प्रमुख वैज्ञानिक दिमित्री गोलबर्ग के नेतृत्व में एक हफ्ते पहले पहले चैनल पर एक छोटी सी रिपोर्ट जारी की गई थी ।पावेल नई पीढ़ी के कंपोजिट मॉडलिंग पर काम कर रहे हैं जो विभिन्न नैनोस्ट्रक्चर के साथ कठोर हैं। अपनी कम उम्र (33 वर्ष) के बावजूद , पावेल बोरिसोविच सोरोकिन ने पहले ही विश्व वैज्ञानिक समुदाय से मान्यता प्राप्त कर ली है और निश्चित रूप से, अपने क्षेत्र में एक विशेषज्ञ है, जैसा कि अंतर्राष्ट्रीय अध्ययन के अनुभव से स्पष्ट है। पावेल भौतिकी में युवा वैज्ञानिकों के लिए एकेडेमी यूरोपिया रशियन क्लब अवार्ड , स्कोपस अवार्ड रूस 2015 के विजेता और नेचर फ़िज़िक्स, नेचर कम्युनिकेशंस, नेस लेटर्स, एसीएस नैनो, जे। जैसी अंतरराष्ट्रीय पत्रिकाओं में 60 से अधिक प्रकाशनों के लेखक हैं । भौतिकी। रसायन। लेट्ट। और आदि।

सोरोकिन पी के काम का एक महत्वपूर्ण हिस्सा। दो-आयामी नैनोस्ट्रक्चर के सामग्री विज्ञान के तेजी से बढ़ते क्षेत्र के लिए समर्पित, उत्पादन के क्षण से उत्पन्न और ग्राफीन का अध्ययन (पहली monatomic फिल्म) । ग्राफीन के दिलचस्प गुण हमें इसे भविष्य के नैनोइलेक्ट्रॉनिक के आधार के रूप में विचार करने की अनुमति देते हैं।

दो आयामी ग्राफीन की एक शीट का उदाहरण (चित्रण प्रकृति ।)

पावेल बोरिसोविच सोरोकिन
डॉक्टर ऑफ फिजिकल एंड मैथमेटिकल साइंसेज डॉक्टर
लीडिंग रिसर्चर ऑन द लेबोरेटरी "इनऑर्गेनिक नैनोमेट्रिक्स" NUST "MISiS"

आधुनिक सामग्री विज्ञान के तेजी से विकासशील विषयों में से एक दो-आयामी फिल्में हैं और उन पर आधारित सामग्री। दुनिया भर के सैकड़ों वैज्ञानिक समूह इस क्षेत्र में काम करते हैं (मेरे नेतृत्व में NUST (MISiS में टीम सहित)), हर साल दर्जनों सम्मेलन उनके लिए समर्पित होते हैं, और भारी मात्रा में धन अनुसंधान के लिए आवंटित किया जाता है। सवाल स्वाभाविक है - दो आयामी फिल्में इतनी दिलचस्प क्यों हैं? इस लेख में मैं इस प्रश्न का संक्षिप्त उत्तर देने की कोशिश करूंगा, साथ ही साथ विज्ञान के इस क्षेत्र के विकास के लिए संभावनाओं पर भी अपनी राय व्यक्त करूंगा।

अंजीर। 1. द्वि-आयामी संरचनाएं a) NbSe2 b) ग्रेफाइट c) Bi2Sr2CaCu2Ox, d) MoS2। वेतनमान: 1 माइक्रोन। छवियाँ और बी एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप, एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप, एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के साथ डी के साथ प्राप्त किए गए थे।

यह सब 2004 में विज्ञान और पीएनएएस में एक वैज्ञानिक लेख के साथ शुरू हुआ था , जिसमें लेखकों ने विभिन्न स्तरित क्रिस्टल से परमाणु मोटाई की व्यक्तिगत परतों के सफल पृथक्करण पर रिपोर्ट की थी (चित्र 1 देखें) । इन कार्यों ने आधुनिक सामग्री विज्ञान में एक नए युग की शुरुआत को चिह्नित किया, और उनके मुख्य लेखक, के.एस. नोवोसेलोव और ए.के. गेम (यूनिवर्सिटी ऑफ मैनचेस्टर, यूके)अंततः नोबेल पुरस्कार साझा किया। सबसे पहले, खेल की अगुवाई करने वाली टीम ने एक कार्बन मोनोलेयर - ग्राफीन के अध्ययन पर ध्यान केंद्रित किया। इस सामग्री में बड़ी संख्या में नए भौतिक प्रभावों की खोज की गई थी - यह ग्राफीन के अध्ययन के लिए समर्पित लेखों की संख्या में तेजी से वृद्धि में देखा जा सकता है, अगर 2004 में 20 थे, तो केवल 2014 में 10,000 से अधिक काम प्रकाशित किए गए थे। लेकिन ग्राफीन के अलावा, अन्य दो आयामी फिल्मों का एक विशाल परिवार है, जिनमें से अध्ययन अभी तक शुरू नहीं हुआ है - बस पर्याप्त ताकत नहीं है।

अंजीर। 2. शीर्षक में "ग्राफीन" शब्द के साथ प्रकाशनों की संख्या (सितंबर 2015 तक, WoS के अनुसार)

ग्राफीन में उच्च यांत्रिक कठोरता और उच्च तापीय चालकता है, और चार्ज वाहक गतिशीलता का रिकॉर्ड मूल्य इसे विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए एक आशाजनक सामग्री बनाता है, विशेष रूप से, इलेक्ट्रॉनिक्स के भविष्य के आधार के रूप में। ग्राफीन की एक अनूठी विशेषता है - चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉन और छेद) की ऊर्जा की एक रैखिक निर्भरता - क्सीमोमोमीम पर। प्रकृति में, ऐसे कण हैं जिनकी ऊर्जा भी गति पर रैखिक रूप से निर्भर करती है - ये फोटॉन हैं। फोटोन में शून्य बाकी द्रव्यमान होता है, और उनकी गति प्रकाश की गति के बराबर होती है। इस प्रकार, रिलेटिविस्टिक कणों का वर्णन करने के लिए पहले से ही विकसित गणितीय उपकरण का उपयोग ग्राफीन में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के व्यवहार का वर्णन करने के लिए किया जा सकता है, जिससे तुरंत एम.आई. कैटज़लसन - ग्राफीन में क्लेन का विरोधाभास। यह विरोधाभास तब उत्पन्न होता है जब एक उच्च संभावित अवरोध के माध्यम से एक सापेक्ष कणों के प्रवेश की समस्या पर विचार किया जाता है। ग्रैफीन के मामले के लिए, यह दिखाया गया था कि ग्रैफीन में कोई भी संभावित अवरोध पारदर्शी होता है, जब इलेक्ट्रॉनों या छेदों पर सामान्य रूप से घटना होती है। एक महत्वपूर्ण परिणाम ग्राफीन में चार्ज वाहक के स्थानीयकरण की कठिनाई है।

इसके उल्लेखनीय इलेक्ट्रॉनिक गुणों के अलावा, ग्राफीन में प्रभावशाली यांत्रिक गुण हैं। ग्रेफीन में कार्बन परमाणुओं के बीच मजबूत सहसंयोजक बंधन इसे मनुष्य द्वारा प्राप्त सबसे टिकाऊ सामग्री बनाते हैं ।। ग्राफीन के अनुदैर्ध्य लोचदार स्थिरांक पिछले रिकॉर्ड धारक - हीरे के समान मूल्यों से काफी अधिक हैं। ग्राफीन की ताकत ऐसी है कि इसकी मीटर-लंबी शीट सैद्धांतिक रूप से चार किलोग्राम की बिल्ली को पकड़ने में सक्षम है। उसी समय, फिल्म स्वयं हल्की होती है, ग्राफीन का एक ग्राम एक फुटबॉल मैदान को कवर कर सकता है!

कई प्रौद्योगिकी कंपनियों को इस तरह की अद्भुत सामग्री में रुचि हो गई, ग्राफीन के अध्ययन के लिए विशेष रूप से समर्पित पूरे संस्थान दुनिया के विभिन्न देशों में दिखाई देने लगे और 2013 से यूरोप में बड़े पैमाने पर ग्राफीन फ्लैगशिप कार्यक्रम लागू किया गया।एक अरब यूरो की कीमत, जिसका उद्देश्य मानव गतिविधि के विभिन्न क्षेत्रों में ग्राफीन के उपयोग पर शोध करना है। प्रारंभ में, ऐसा लगता था कि ग्राफीन विभिन्न प्रकार के क्षेत्रों में एक वैज्ञानिक और तकनीकी क्रांति की ओर ले जाएगा - इलेक्ट्रॉनिक्स से लेकर समग्र सामग्री तक। नीचे एक लेख से के.एस. द्वारा ग्राफीन पर उपकरणों की शुरूआत के लिए पूर्वानुमान है । Novoselova। उनकी राय में, सबसे अधिक संभावना एप्लिकेशन टच स्क्रीन, इलेक्ट्रॉनिक पेपर या कार्बनिक प्रकाश उत्सर्जक डायोड का आधार है। ट्रांजिस्टर और उस पर आधारित अन्य तार्किक उपकरण केवल 10-20 वर्षों में अपेक्षित हैं।

ग्राफीन का उपयोग करना मुश्किल क्यों है? इसमें आवेश वाहकों में पहले से ज्ञात अर्धचालक सामग्रियों - सिलिकॉन, डायमंड या गैलियम आर्सेनाइड की तुलना में अधिक गतिशीलता होती है। इसका मतलब है कि ग्राफीन-आधारित उपकरणों में रिकॉर्ड-ब्रेकिंग विशेषताएँ होनी चाहिए। हालांकि, ग्राफीन के सेमीमेटलिक गुण, साथ ही क्लेन विरोधाभास, अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक्स में इसके प्रत्यक्ष आवेदन में बाधा है। ऐसे कई काम हैं जिनमें ग्राफीन को एक पारंपरिक अर्धचालक में बदलने का प्रयास किया गया था, लेकिन इसके परिवहन गुणों में महत्वपूर्ण गिरावट आई - चार्ज वाहक की गतिशीलता में कमी आई, जो एक बड़े लाभ की सामग्री से वंचित हो गई।

हालांकि, ग्राफीन की इन विशेषताओं का मतलब यह नहीं है कि इसमें आवेदन की कोई संभावना नहीं है। उदाहरण के लिए, इस सामग्री का उपयोग अत्यधिक संवेदनशीलता के सेंसर के रूप में किया जा सकता है - यह व्यक्तिगत अणुओं का पता लगा सकता है। ग्राफीन की उच्च चालकता इसे प्रवाहकीय स्याही के लिए एक आधार के रूप में उपयोग करने की अनुमति देता है, और पारदर्शिता (ग्राफीन प्रकाश का केवल 2% अवशोषित करता है) और फिल्म का लचीलापन ग्राफीन को एक आदर्श पारदर्शी प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड बनाता है, जो टच स्क्रीन की एक नई पीढ़ी का निर्माण करेगा। अब इन उपकरणों का आधार इंडियम टिन ऑक्साइड है, जो लचीले डिस्प्ले के लिए उपयुक्त नहीं है। इसके लिए मैक्रोस्कोपिक मात्रा में ग्राफीन के निर्माण के तरीकों की आवश्यकता है, जो दो दिग्गजों - सैमसंग और सोनी द्वारा तय किया गया था। सैमसंग ने एक प्रोटोटाइप लचीले स्पर्श प्रदर्शन के सफल परीक्षण की भी घोषणा कीग्राफीन आधारित । इस तथ्य के बावजूद कि प्राप्त ग्राफीन शीट में एक पॉलीक्रिस्टलीन संरचना होती है (जिसमें एक-आयामी इंटरफेस बनाने के लिए रासायनिक बांड द्वारा जुड़े व्यक्तिगत ग्राफीन टुकड़े होते हैं), इसकी प्रवाहकीय विशेषताएं उत्पादन में उपयोग के लिए काफी स्वीकार्य निकली।

Touchscreens ग्राफीन: चावल विश्वविद्यालय तो वीडियो (इंग्लैंड)

अन्य दो आयामी सामग्री भी शोधकर्ताओं का ध्यान आकर्षित करती हैं। सबसे पहले, बोरान नाइट्राइड , आइसोएलेट्रोनिक (प्रति अणु में इलेक्ट्रॉनों की समान संख्या) और आइसोस्ट्रोसुरल कार्बन एनालॉग , दिलचस्प था : इसमें हीरे की तरह और ग्रेफाइट चरण और यहां तक कि कार्बाइन चरण (परमाणु श्रृंखला जिसमें नाइट्रोजन और बोरान परमाणु वैकल्पिक होते हैं)। बोरान नाइट्राइड नैनोट्यूब भी हैं, इसलिए, यह आश्चर्यजनक नहीं है कि दो-आयामी बीएन फिल्म सफलतापूर्वक प्राप्त हुई थी। ग्राफीन के विपरीत, बोरान नाइट्राइड एक ढांकता हुआ है, इसका उपयोग केवल एक इन्सुलेटर के रूप में किया जा सकता है।

शोधकर्ताओं ने धातु डाइक्लेकोजेनाइड्स को बदलने के लिए भी अपना ध्यान केंद्रित किया है।रासायनिक संरचना एमएक्स 2, जहां एम एक संक्रमण धातु है (उदाहरण के लिए, मो, डब्ल्यू, वी और अन्य), और एक्स एक चेल्सीजन (सल्फर, सेलेनियम या टेल्यूरियम) है। यह सामग्रियों का एक बड़ा परिवार है, अधिकांश में एक स्तरित चरण होता है जिसे दो-आयामी परतों में विभाजित किया जा सकता है। लेकिन, ग्रेफीन और बोरान नाइट्राइड के विपरीत, संक्रमण धातु की अलग-अलग परत की एक अलग परत बीच में एक धातु की परत के लिए रासायनिक रूप से बंधे हुए दो क्लैकोसाइड परतों का "सैंडविच" है। रासायनिक धातुओं के आधार पर, संक्रमण धातुओं के डायक्लोजेनाइड धातु और अर्धचालक गुणों को प्रदर्शित कर सकते हैं। इससे इन सामग्रियों में बहुत रुचि पैदा हुई: उदाहरण के लिए, नैनोट्रांसिस्टर्स के प्रोटोटाइप, ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक मेमोरी के तत्व और विभिन्न सेंसर MoS2 के आधार पर बनाए गए थे। इस मामले में, इस सामग्री के आवेश वाहकों की गतिशीलता ग्रैफीन की तुलना में अभी भी काफी कम है। इसलिए,सैद्धांतिक अनुमान हमें 400 सेमी 2 / वी.सेक (कमरे के तापमान पर) की बात करने की अनुमति देते हैं, जबकि प्रयोग में उन मूल्यों को प्राप्त करना संभव था जो दसियों बार छोटे होते हैं। यह सिलिकॉन (100 cm2 / V.sec) की तुलना में कम है और ग्राफीन की तुलना में काफी कम (> 10000 cm2 / V.sec) है। हालांकि, इन संरचनाओं का अध्ययन पूरी तरह से दूर है। बेशक, संक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड्स में दिलचस्प इलेक्ट्रॉनिक और चुंबकीय गुण हैं जिनका अध्ययन किया जाना बाकी है।संक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड्स में दिलचस्प इलेक्ट्रॉनिक और चुंबकीय गुण हैं जिनका अध्ययन किया जाना बाकी है।संक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड्स में दिलचस्प इलेक्ट्रॉनिक और चुंबकीय गुण हैं जिनका अध्ययन किया जाना बाकी है।

दो-आयामी फिल्मों की विविधता उनके आधार पर हेट्रोस्ट्रक्चर बनाने का प्रश्न बनाती है। उदाहरण के लिए, यदि बोरान नाइट्राइड और ग्राफीन एक विमान में शामिल हो जाते हैं, तो बारी-बारी से संचालन और गैर-संचालन वाले क्षेत्र के साथ एक फिल्म प्राप्त की जा सकती है। यह कई अध्ययनों में सफलतापूर्वक किया गया था जहां एच-बीएन और ग्राफीन के दोनों चरणों वाले दो-आयामी ढांचे को प्राप्त किया गया था, आंकड़ा देखें

विभिन्न रचनाओं की कई चादरों के संयोजन - एक अर्ध-द्वि-आयामी हेट्रोस्ट्रक्चर को प्राप्त करना भी दिलचस्प है । यह दिशा अब सक्रिय रूप से विकसित हो रही है, और पहले परिणाम पहले ही प्राप्त किए जा चुके हैं - उदाहरण के लिए, नोवोसिलोव समूह में एक सामग्री ग्राफीन से बनी हुई थी (जिसमें इलेक्ट्रोड की भूमिका निभाई जा रही है, जिसमें करंट की आपूर्ति की जाती है), बोरान नाइट्राइड (एक टनल बैरियर की भूमिका निभा रहा है) और एक कुल संख्या के साथ संक्रमण धातु डाइक्लेजेनोइड्स 10 से 40 तक की परतें। इस तरह का एक हेट्रोस्ट्रक्चर पूरी सतह से प्रकाश उत्सर्जित करने में सक्षम होता है जब एक विद्युत प्रवाह इसके माध्यम से पारित किया जाता है, अर्थात यह एक अल्ट्रा-पतली और अल्ट्रा-लचीली एलईडी है। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि हेट्रोस्ट्रक्चर के गुण पूरी तरह से दो-आयामी परतों के प्रकार और व्यवस्था पर निर्भर करते हैं।

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ये सभी परिणाम दो-आयामी सामग्रियों के क्षेत्र के तेजी से विकास का संकेत देते हैं। ग्रैपिटा'2015 सम्मेलन में, जहां मैंने हाल ही में एक प्रस्तुति दी, कई कंपनियों ने ग्राफीन-आधारित मिश्रित सामग्री और उपकरणों का प्रदर्शन किया। विभिन्न प्रोटोटाइप की विविधता से पता चलता है कि क्षेत्र का विकास तकनीकी अनुप्रयोग के लिए जाता है। हालांकि, इसका मतलब यह नहीं है कि दो-आयामी संरचनाओं के बुनियादी अध्ययन पूरे हो गए हैं, दो-आयामी फिल्मों का एक विशाल परिवार अभी भी कई रहस्य और संभावित अनुप्रयोगों को रखता है।

अंजीर। 4. ग्रैपिटा'2015 में ग्राफीन फैक्टरी बूथ।

विशेषज्ञ की राय: दो आयामी सामग्री, उनके गुण और संभावनाएं

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