🎭 ⛹🏼 🧔 Opinião de especialistas: Materiais bidimensionais, suas propriedades e perspectivas 🧘🏼 🤹🏽 👨🏿‍🌾

Hoje decidimos falar sobre materiais bidimensionais únicos (grafeno, nitreto de boro, etc.) , suas propriedades e perspectivas de estudo, cuja descoberta em 2010 foi atribuída ao Prêmio Nobel.
Com uma solicitação para escrever para o nosso blog corporativo sobre GT, nos voltamos para um dos jovens cientistas mais talentosos, um dos principais pesquisadores do Laboratório de Nanomateriais Inorgânicos , doutor em ciências físicas e matemáticas, Pavel Borisovich Sorokin . No laboratório, sobre o qual um pequeno relatório foi divulgado no primeiro canal há uma semana , sob a liderança do principal cientista Dmitry GolbergPavel está trabalhando na modelagem de compósitos de nova geração reforçados com várias nanoestruturas. Apesar da tenra idade (33 anos) , Pavel Borisovich Sorokin já recebeu reconhecimento da comunidade científica mundial e, é claro, é um especialista em seu campo, o que é confirmado pela experiência de estudos internacionais. Pavel é o vencedor do Academia Europaea Russian Club Award para jovens cientistas em física, o vencedor do Prêmio Scopus Rússia 2015 e autor de mais de 60 publicações em revistas internacionais como Nature Physics, Nature Communications, Nano Letters, ACS Nano, J. Phys. Chem. Lett. e etc.

Uma parte significativa do trabalho de Sorokin P. dedicado ao crescente campo da ciência dos materiais de nanoestruturas bidimensionais, originário do momento da produção e estudo do grafeno (o primeiro filme monatômico) . As propriedades interessantes do grafeno nos permitem considerá-lo como a base da nanoeletrônica futura.

Exemplo de uma folha de grafeno bidimensional (Ilustração Nature .)

Pavel Borisovich Sorokin
Doutor em Ciências Físicas e Matemáticas
Pesquisador Líder do Laboratório "Nanomateriais Inorgânicos" NUST "MISiS"

Um dos tópicos de rápido desenvolvimento da ciência moderna dos materiais são os filmes bidimensionais e os materiais baseados neles. Centenas de grupos científicos em todo o mundo trabalham nessa área (incluindo a equipe da NUST “MISiS” sob minha liderança), dezenas de conferências são dedicadas a eles anualmente e enormes quantias de dinheiro são alocadas para pesquisa. A questão é natural - por que os filmes bidimensionais são tão interessantes? Neste artigo, tentarei responder brevemente a essa pergunta, bem como expressar minha opinião sobre as perspectivas para o desenvolvimento desse campo da ciência.

FIG. 1. Estruturas bidimensionais a) NbSe2 b) grafite c) Bi2Sr2CaCu2Ox, d) MoS2. Escala: 1 mícron. As imagens aeb foram obtidas usando um microscópio de força atômica, c - usando um microscópio de varredura por tunelamento, d - usando um microscópio óptico

Tudo começou em 2004 com artigos científicos na Science e PNAS , nos quais os autores relataram a separação bem-sucedida de camadas individuais de espessura atômica de vários cristais em camadas (veja a Fig. 1) . Esses trabalhos marcaram o início de uma nova era na ciência moderna dos materiais e seus principais autores, K.S. Novoselov e A.K. Game (Universidade de Manchester, Reino Unido)acabou compartilhando o Prêmio Nobel. A princípio, a equipe liderada por Game focou no estudo de uma monocamada de carbono - grafeno. Um grande número de novos efeitos físicos foi descoberto neste material - isso pode ser observado no rápido crescimento do número de artigos dedicados ao estudo do grafeno, se em 2004 havia 20, apenas em 2014 foram publicados mais de 10.000 trabalhos. Mas, além do grafeno, há uma enorme família de outros filmes bidimensionais, cujo estudo ainda não começou - simplesmente não há força suficiente.

FIG. 2. Número de publicações com a palavra “grafeno” no título (em setembro de 2015, segundo a WoS)

O grafeno possui grande rigidez mecânica e alta condutividade térmica, e o valor recorde da mobilidade do transportador de carga o torna um material promissor para uso em uma ampla variedade de aplicações, em particular como a base futura da eletrônica. O grafeno tem uma característica única - uma dependência linear da energia dos portadores de carga (elétrons e buracos) - no quase-momento. Na natureza, existem partículas cuja energia também depende linearmente do momento - esses são fótons. Os fótons têm massa zero de repouso e sua velocidade é igual à velocidade da luz. Assim, o aparato matemático já desenvolvido para descrever partículas relativísticas poderia ser usado para descrever o comportamento de elétrons e buracos no grafeno, o que imediatamente levou à seguinte descoberta notável por M.I. Katznelson - paradoxo de Klein no grafeno. Esse paradoxo surge quando se considera o problema da penetração de uma partícula relativística através de uma barreira de alto potencial. Para o caso do grafeno, foi demonstrado que qualquer barreira potencial no grafeno é transparente quando elétrons ou orifícios são normalmente incidentes nele. Uma consequência importante é a dificuldade de localização dos portadores de carga no grafeno.

Além de suas notáveis propriedades eletrônicas, o grafeno possui propriedades mecânicas impressionantes. As fortes ligações covalentes entre os átomos de carbono no grafeno o tornam o material mais durável já obtido pelo homem.. As constantes elásticas longitudinais do grafeno excedem significativamente os valores semelhantes do detentor do recorde anterior - diamante. A força do grafeno é tal que sua folha de um metro de comprimento é teoricamente capaz de conter um gato de quatro quilos. Ao mesmo tempo, o filme em si é leve, um grama de grafeno pode cobrir um campo de futebol!

Muitas empresas de tecnologia se interessaram por esse material incrível, institutos inteiros dedicados exclusivamente ao estudo do grafeno começaram a aparecer em diferentes países do mundo e, desde 2013, um programa de referência em grafeno em larga escala foi implementado na Europa.no valor de um bilhão de euros, destinado a pesquisar o uso de grafeno em vários campos da atividade humana. Inicialmente, parecia que o grafeno levaria a uma revolução científica e tecnológica em vários campos - da eletrônica aos materiais compostos. Abaixo está a previsão para a introdução de dispositivos em grafeno de um artigo de K.S. Novoselova. Para ele, a aplicação mais provável é a base para uma tela de toque, papel eletrônico ou diodos orgânicos emissores de luz. Transistores e outros dispositivos lógicos baseados nele são esperados apenas em 10 a 20 anos.

Por que o grafeno é difícil de usar? Os transportadores de carga nele têm uma mobilidade muito maior do que nos materiais semicondutores já conhecidos - silício, diamante ou arseneto de gálio. Isso significa que os dispositivos baseados em grafeno devem ter características recordes. No entanto, as propriedades semimetálicas do grafeno, bem como o paradoxo de Klein, impedem sua aplicação direta na eletrônica de semicondutores. Existem muitos trabalhos em que foram feitas tentativas para transformar o grafeno em um semicondutor convencional, mas isso levou a uma deterioração significativa em suas propriedades de transporte - a mobilidade dos portadores de carga diminuiu, o que privou o material de uma grande vantagem.

No entanto, esses recursos do grafeno não significam que ele não tem perspectivas de aplicação. Por exemplo, esse material pode ser usado como um sensor de extrema sensibilidade - ele pode detectar moléculas individuais. A alta condutividade do grafeno permite que ele seja usado como base para tintas condutoras, e a transparência (o grafeno absorve apenas 2% da luz) e a flexibilidade do filme fazem do grafeno um eletrodo condutor transparente ideal, o que criará uma nova geração de telas sensíveis ao toque. Agora, a base desses dispositivos é óxido de índio e estanho, não adequado para monitores flexíveis. Isso requer a criação de métodos para a produção de grafeno em quantidades macroscópicas, que foram decididas por dois gigantes - Samsung e Sony. A Samsung também anunciou o teste bem-sucedido de um protótipo de tela sensível ao toque emà base de grafeno . Apesar do fato de a folha de grafeno obtida ter uma estrutura policristalina (consistindo em fragmentos de grafeno individuais conectados por ligações químicas para formar interfaces unidimensionais), suas características condutoras se mostraram bastante aceitáveis para uso na produção.

Tela sensível ao toque grafeno: Rice University, em seguida, Vídeo (eng.)

Outros materiais bidimensionais também atraem a atenção dos pesquisadores. Em primeiro lugar, o nitreto de boro , isoeletrônico (com o mesmo número de elétrons por molécula) e o análogo de carbono isoestrutural , foi interessante : também possui fases tipo diamante e grafite e até uma fase carabina (cadeia atômica na qual átomos de nitrogênio e boro se alternam). Também existem nanotubos de nitreto de boro; portanto, não é surpreendente que um filme bidimensional de BN tenha sido obtido com sucesso. Ao contrário do grafeno, o nitreto de boro é um dielétrico, que só pode ser usado como isolante.

Os pesquisadores também voltaram sua atenção para os dichalcogenetos dos metais de transição.possuindo a composição química MX2, onde M é um metal de transição (por exemplo, Mo, W, V e outros) e X é um calcogênio (enxofre, selênio ou telúrio). Essa é uma grande família de materiais, a maioria possui uma fase em camadas que pode ser dividida em camadas bidimensionais. Mas, diferentemente do grafeno e do nitreto de boro, uma camada separada de dissulfetos de metais de transição é um "sanduíche" de duas camadas de calcogenetos quimicamente ligadas a uma camada de metal no meio. Dichalcogenetos de metais de transição podem exibir propriedades metálicas e semicondutoras, dependendo da composição química. Isso causou grande interesse nesses materiais: por exemplo, protótipos de nanotransistores, elementos de memória optoeletrônica e vários sensores foram criados com base no MoS2. Nesse caso, a mobilidade dos portadores de carga desse material ainda é significativamente menor que a do grafeno. Assim,as estimativas teóricas nos permitem falar de 400 cm2 / V.seg (à temperatura ambiente), enquanto no experimento foi possível obter valores dezenas de vezes menores. É mais baixo que o de silício (100 cm2 / V.sec) e significativamente menor que o de grafeno (> 10000 cm2 / V.seg). No entanto, os estudos dessas estruturas estão longe de estar completos. Obviamente, os dichalcogenetos dos metais de transição têm propriedades eletrônicas e magnéticas interessantes que ainda precisam ser estudadas.dichalcogenetos de metais de transição têm propriedades eletrônicas e magnéticas interessantes que ainda precisam ser estudadas.dichalcogenetos de metais de transição têm propriedades eletrônicas e magnéticas interessantes que ainda precisam ser estudadas.

A variedade de filmes bidimensionais torna natural a questão de criar heteroestruturas baseadas neles. Por exemplo, se nitreto de boro e grafeno são unidos em um plano, pode ser obtido um filme com regiões condutoras e não condutoras alternadas. Isso foi realizado com sucesso em vários estudos em que foram obtidas estruturas bidimensionais contendo as duas fases de h-BN e grafeno, veja a figura

Também é interessante obter uma heteroestrutura quase bidimensional - a combinação de várias folhas de várias composições. Esta direção está agora se desenvolvendo ativamente, e os primeiros resultados já foram obtidos - por exemplo, no grupo Novosyolov , foi obtido um material que consiste em grafeno (desempenhando o papel de um eletrodo ao qual a corrente é fornecida), nitreto de boro (desempenhando o papel de uma barreira de túnel) e dichalcogenetos de metais de transição com um número total camadas de 10 a 40. Essa heteroestrutura é capaz de emitir luz de toda a superfície quando uma corrente elétrica passa por ela, ou seja, é um LED ultra-fino e ultra-flexível. É importante notar que as propriedades da heteroestrutura dependem completamente do tipo e do arranjo das camadas bidimensionais.

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

Todos esses resultados indicam o rápido desenvolvimento do campo de materiais bidimensionais. Na conferência GrapITA'2015, onde recentemente fiz uma apresentação, várias empresas demonstraram materiais e dispositivos compostos à base de grafeno. A variedade de diferentes protótipos sugere que o desenvolvimento da região vai para aplicação tecnológica. No entanto, isso não significa que estudos fundamentais de estruturas bidimensionais sejam concluídos; uma enorme família de filmes bidimensionais ainda guarda muitos segredos e possíveis aplicações.

FIG. 4. Estande da fábrica de grafeno na GrapITA'2015.

Opinião de especialistas: Materiais bidimensionais, suas propriedades e perspectivas

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