🐽 🎏 🕵🏽 Pendapat ahli: Bahan dua dimensi, sifat dan prospeknya 💠 🖨️ 🌾

Hari ini kami memutuskan untuk memberi tahu Anda tentang bahan dua dimensi yang unik (graphene, boron nitride, dll.) , Sifat dan prospek studi mereka, untuk penemuan yang pada tahun 2010 Hadiah Nobel diberikan.
Dengan permintaan untuk menulis untuk blog perusahaan kami di GT, kami beralih ke salah satu ilmuwan muda paling berbakat, seorang peneliti terkemuka di Laboratorium Nanomaterial Bahan Anorganik , dokter ilmu fisika dan matematika, Pavel Borisovich Sorokin . Di laboratorium, tentang yang laporan kecilnya dirilis pada saluran pertama seminggu yang lalu , di bawah kepemimpinan ilmuwan terkemuka Dmitry GolbergPavel sedang mengerjakan pemodelan komposit generasi baru yang dikeraskan dengan berbagai struktur nano. Meskipun usianya masih muda (33 tahun) , Pavel Borisovich Sorokin telah menerima pengakuan dari komunitas ilmiah dunia dan, tentu saja, adalah seorang ahli di bidangnya, sebagaimana dibuktikan oleh pengalaman penelitian internasional. Pavel adalah pemenang Academia Europaea Russian Club Award untuk ilmuwan muda dalam fisika, pemenang Scopus Award Russia 2015 dan penulis lebih dari 60 publikasi di jurnal internasional seperti Fisika Alam, Komunikasi Alam, Surat Nano, ACS Nano, J. Phys Chem Lett. dan sebagainya.

Bagian penting dari karya Sorokin P. dikhususkan untuk bidang ilmu material yang berkembang pesat dari struktur nano dua dimensi, yang berasal dari saat produksi dan studi graphene (film monatomik pertama) . Sifat-sifat menarik graphene memungkinkan kita untuk mempertimbangkannya sebagai dasar dari nanoelectronics di masa depan.

Contoh selembar graphene dua dimensi (Illustration Nature .)

Pavel Borisovich Sorokin
Doktor Ilmu Fisika dan Matematika
Peneliti Terkemuka di Laboratorium "Nanomaterial Anorganik" NUST "MISiS"

Salah satu topik yang berkembang pesat dalam ilmu material modern adalah film dua dimensi dan materi yang didasarkan padanya. Ratusan kelompok ilmiah di seluruh dunia bekerja di bidang ini (termasuk tim di NUST "MISiS" di bawah kepemimpinan saya), puluhan konferensi didedikasikan untuk mereka setiap tahun, dan sejumlah besar uang dialokasikan untuk penelitian. Pertanyaannya wajar - mengapa film dua dimensi begitu menarik? Pada artikel ini saya akan mencoba menjawab pertanyaan ini secara singkat, serta mengutarakan pendapat saya tentang prospek pengembangan bidang sains ini.

Ara. 1. Struktur dua dimensi a) NbSe2 b) grafit c) Bi2Sr2CaCu2Ox, d) MoS2. Skala: 1 mikron. Gambar a dan b diperoleh dengan mikroskop gaya atom, c dengan scanning tunneling microscope, d dengan mikroskop optik.

Semuanya dimulai pada tahun 2004 dengan artikel ilmiah di Science dan PNAS , di mana penulis melaporkan keberhasilan pemisahan masing-masing lapisan ketebalan atom dari berbagai kristal berlapis (lihat Gambar 1) . Karya-karya ini menandai awal dari era baru dalam ilmu material modern, dan penulis utama mereka, K.S. Novoselov dan A.K. Game (Universitas Manchester, Inggris)akhirnya berbagi Hadiah Nobel. Pada awalnya, tim yang dipimpin oleh Game fokus pada studi tentang karbon monolayer - graphene. Sejumlah besar efek fisik baru ditemukan dalam bahan ini - ini dapat dilihat dalam pertumbuhan pesat dalam jumlah artikel yang ditujukan untuk studi graphene, jika pada tahun 2004 ada 20, maka hanya pada tahun 2014 lebih dari 10.000 karya diterbitkan. Tapi selain graphene, ada keluarga besar film dua dimensi lainnya, yang studinya belum dimulai - tidak ada cukup kekuatan.

Ara. 2. Jumlah publikasi dengan kata "graphene" dalam judul (per September 2015, menurut WoS)

Graphene memiliki kekakuan mekanik yang tinggi dan konduktivitas termal yang tinggi, dan nilai rekor mobilitas pembawa muatan menjadikannya bahan yang menjanjikan untuk digunakan dalam berbagai aplikasi, khususnya, sebagai basis elektronik masa depan. Graphene memiliki fitur unik - ketergantungan linier energi pembawa muatan (elektron dan lubang) - pada quasimomentum. Di alam, ada partikel yang energinya juga bergantung secara linear pada momentum - ini adalah foton. Foton memiliki massa nol, dan kecepatannya sama dengan kecepatan cahaya. Dengan demikian, peralatan matematika yang sudah dikembangkan untuk menggambarkan partikel relativistik dapat digunakan untuk menggambarkan perilaku elektron dan lubang di graphene, yang segera menyebabkan penemuan luar biasa berikut oleh M.I. Katznelson - Paradoks Klein dalam graphene. Paradoks ini muncul ketika mempertimbangkan masalah penetrasi partikel relativistik melalui penghalang potensial tinggi. Untuk kasus graphene, ditunjukkan bahwa setiap penghalang potensial dalam graphene transparan ketika elektron atau lubang biasanya terjadi di atasnya. Konsekuensi penting adalah kesulitan pelokalan pembawa muatan dalam graphene.

Selain sifat elektroniknya yang luar biasa, graphene memiliki sifat mekanis yang mengesankan. Ikatan kovalen yang kuat antara atom karbon dalam graphene menjadikannya bahan paling tahan lama yang pernah diperoleh manusia.. Konstanta elastis memanjang graphene secara signifikan melebihi nilai yang sama dari pemegang rekor sebelumnya - berlian. Kekuatan graphene sedemikian rupa sehingga lembar meternya yang panjang secara teoritis mampu menahan kucing seberat empat kilogram. Pada saat yang sama, film itu sendiri ringan, satu gram graphene dapat menutupi lapangan sepak bola!

Banyak perusahaan teknologi menjadi tertarik pada bahan luar biasa seperti itu, seluruh lembaga yang didedikasikan khusus untuk studi graphene mulai muncul di berbagai negara di dunia, dan sejak 2013 program Flagene Skala besar skala besar telah dilaksanakan di Eropabernilai satu miliar euro, ditujukan untuk meneliti penggunaan graphene di berbagai bidang aktivitas manusia. Awalnya, tampaknya graphene akan mengarah ke revolusi ilmiah dan teknologi di berbagai bidang - dari elektronik hingga material komposit. Di bawah ini adalah perkiraan untuk pengenalan perangkat pada graphene dari sebuah artikel oleh K.S. Novoselova. Menurutnya, aplikasi yang paling mungkin adalah dasar untuk layar sentuh, kertas elektronik atau dioda pemancar cahaya organik. Transistor dan perangkat logis lainnya berdasarkan itu diharapkan hanya dalam 10-20 tahun.

Mengapa graphene sulit digunakan? Pembawa muatan di dalamnya memiliki mobilitas yang jauh lebih besar daripada bahan semikonduktor yang sudah dikenal - silikon, berlian atau gallium arsenide. Ini berarti bahwa perangkat berbasis graphene harus memiliki karakteristik pemecahan rekor. Namun, sifat semimetal graphene, serta paradoks Klein, menghambat aplikasi langsungnya dalam elektronik semikonduktor. Ada banyak pekerjaan di mana upaya dilakukan untuk mengubah graphene menjadi semikonduktor konvensional, tetapi ini menyebabkan penurunan yang signifikan dalam sifat transpornya - mobilitas pembawa muatan menurun, yang merampas material dari keunggulan utama.

Namun, fitur-fitur graphene ini tidak berarti bahwa ia tidak memiliki prospek aplikasi. Misalnya, bahan ini dapat digunakan sebagai sensor sensitivitas ekstrim - dapat mendeteksi molekul individu. Konduktivitas graphene yang tinggi memungkinkannya untuk digunakan sebagai dasar untuk tinta konduktif, dan transparansi (graphene hanya menyerap 2% cahaya) dan fleksibilitas film menjadikan graphene elektroda konduktif transparan yang ideal, yang akan menciptakan generasi baru layar sentuh. Sekarang dasar dari perangkat ini adalah oksida timah indium, tidak cocok untuk tampilan yang fleksibel. Ini membutuhkan penciptaan metode untuk menghasilkan graphene dalam jumlah makroskopis, yang diputuskan oleh dua raksasa - Samsung dan Sony. Samsung juga mengumumkan pengujian prototipe layar sentuh fleksibel yang suksesberbasis graphene . Terlepas dari kenyataan bahwa lembaran graphene yang diperoleh memiliki struktur polikristalin (terdiri dari fragmen graphene individu yang dihubungkan oleh ikatan kimia untuk membentuk antarmuka satu dimensi), karakteristik konduktifnya ternyata cukup dapat diterima untuk digunakan dalam produksi.

Touchscreens graphene: Rice University then Video (ind.)

Bahan dua dimensi lainnya juga menarik perhatian para peneliti. Pertama-tama, boron nitrida , isoelektronik (memiliki jumlah elektron yang sama per molekul) dan analog karbon isostruktural , menarik : ia juga memiliki fase seperti-berlian dan grafit dan bahkan fase karabin (rantai atom di mana atom nitrogen dan atom boron berganti). Ada juga nanotube boron nitrida, oleh karena itu, tidak mengherankan bahwa film BN dua dimensi berhasil diperoleh. Tidak seperti graphene, boron nitride adalah dielektrik, ia hanya dapat digunakan sebagai isolator.

Para peneliti juga mengalihkan perhatian mereka pada dichalcogenides logam transisi.memiliki komposisi kimia MX2, di mana M adalah logam transisi (misalnya, Mo, W, V dan lain-lain), dan X adalah kalkogen (belerang, selenium atau telurium). Ini adalah keluarga besar bahan, sebagian besar memiliki fase berlapis yang dapat dibagi menjadi lapisan dua dimensi. Tapi, tidak seperti graphene dan boron nitride, lapisan disulfida logam transisi yang terpisah adalah "sandwich" dari dua lapisan chalcogenide yang terikat secara kimia ke lapisan logam di tengahnya. Dichalcogenides dari logam transisi dapat menunjukkan sifat logam dan semikonduktor tergantung pada komposisi kimianya. Ini menyebabkan minat yang besar pada bahan-bahan ini: misalnya, prototipe nanotransistors, elemen memori optoelektronik, dan berbagai sensor dibuat berdasarkan MoS2. Dalam hal ini, mobilitas pembawa muatan bahan ini masih jauh lebih rendah daripada graphene. Begitu,perkiraan teoritis memungkinkan kita untuk berbicara tentang 400 cm2 / V.sec (pada suhu kamar), sementara dalam percobaan itu mungkin untuk mencapai nilai yang puluhan kali lebih kecil. Ini lebih rendah dari silikon (100 cm2 / V.sec) dan jauh lebih rendah dari pada graphene (> 10000 cm2 / V.sec). Namun, studi struktur ini masih jauh dari lengkap. Tentu saja, dichalcogenides logam transisi memiliki sifat elektronik dan magnetik yang menarik yang belum dipelajari.dichalcogenides logam transisi memiliki sifat elektronik dan magnetik yang menarik yang belum dipelajari.dichalcogenides logam transisi memiliki sifat elektronik dan magnetik yang menarik yang belum dipelajari.

Keragaman film dua dimensi membuat pertanyaan menciptakan heterostruktur berdasarkan mereka alami. Misalnya, jika boron nitrida dan graphene bergabung dalam sebuah bidang, film dengan daerah konduksi dan non-konduktor dapat diperoleh. Ini berhasil dilakukan dalam sejumlah studi di mana struktur dua dimensi yang mengandung kedua fase h-BN dan graphene diperoleh, lihat gambar

Juga menarik untuk mendapatkan heterostruktur semu dua dimensi - kombinasi beberapa lembar berbagai komposisi. Arah ini sekarang aktif berkembang, dan hasil pertama telah diperoleh - misalnya, dalam kelompok Novosyolov diperoleh bahan yang terdiri dari graphene (memainkan peran elektroda yang saat ini dipasok), boron nitrida (memainkan peran penghalang terowongan) dan logam transisi dichalcogenides dengan jumlah total lapisan dari 10 hingga 40. heterostruktur seperti itu mampu memancarkan cahaya dari seluruh permukaan ketika arus listrik dilewatinya, yaitu, itu adalah LED ultra-tipis dan ultra-fleksibel. Penting untuk dicatat bahwa sifat-sifat heterostruktur sepenuhnya tergantung pada jenis dan pengaturan lapisan dua dimensi.

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

Semua hasil ini menunjukkan perkembangan pesat bidang material dua dimensi. Pada konferensi GrapITA'2015, di mana saya baru-baru ini membuat presentasi, beberapa perusahaan mendemonstrasikan material dan perangkat komposit berbasis graphene. Keragaman prototipe yang berbeda menunjukkan bahwa pengembangan kawasan menuju aplikasi teknologi. Namun, ini tidak berarti bahwa studi dasar struktur dua dimensi selesai, keluarga besar film dua dimensi masih menyimpan banyak rahasia dan aplikasi potensial.

Ara. 4. Gerai Pabrik Graphene di GrapITA'2015.

Pendapat ahli: Bahan dua dimensi, sifat dan prospeknya

More articles: