Открыть главное меню

Двумерный кристалл — плоский кристалл, обладающий трансляционной симметрией только по двум направлениям. Толщина кристалла много меньше его характерных размеров в плоскости. Из-за малой толщины и, соответственно, больших механических напряжений двумерные кристаллы очень легко разрушаются, поэтому они располагаются обычно на поверхности объёмных материалов или плавают в растворах, при этом в последнем случае размеры кристаллов составляют порядка 1 микрона. Двумерные кристаллы обладают зонной структурой, поэтому говорят об их металлических, полупроводниковых и диэлектрических свойствах. Исследователи ограничивают количество двумерных кристаллов цифрой 500[1].

Содержание

Стабильность двумерных кристалловПравить

Ещё в 1930-е годы Ландау и Пайерлс показали, что кристалл в двух измерениях непременно будет разрушаться тепловыми флуктуациями положений атомов в решётке. Это утверждение соответствовало экспериментальным данным на протяжении десятков лет.

Тем не менее, несмотря на собственную двумерность, двумерные кристаллы всё же находятся в трёхмерном пространстве, и взаимодействие поперечных деформаций с деформациями в плоскости приводит к термодинамической стабильности.[2] Если плёнка будет чуть-чуть деформирована, например содержать рябь, бугорки нанометрового размера, то такая структура может существовать без контакта с подложкой. Возможность такого эффекта была предсказана раньше, но вопрос о фактическом существовании изолированных двумерных кристаллов оставался открытым до экспериментов группы Гейма и Новосёлова в 2004 году.

Поперечный размер бугорков в графене составляет около 10 нм, высота — менее нанометра.[3]

Методы полученияПравить

Первым из двумерных кристаллов был исследован графен[4]. Его получали методом механического расщепления объёмного кристалла графита. Этот метод оказался удобен для получения других двумерных кристаллов из слоистых материалов[5]. Другой двумерный кристалл фосфорен, составленный из фосфора, был получен аналогично.

К настоящему времени разработаны различные физические и химические методы получения графена и других двумерных кристаллов, основной из которых — химическое осаждение из газовой фазы (CVD), позволяющее получать кристаллы хорошего качества сравнительно дёшево. CVD позволяет получить двумерные монокристаллы сантиметровых размеров[6].

Примеры двумерных кристалловПравить

Среди двумерных кристаллов можно выделить большой класс слоистых материалов, составленных из халькогенидов (S, Se, Te) и переходных металлов (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Pd, Pt) по формуле MeX2[7][8].

Двумерные кристаллы
Элемент Соединение Источник
5
B
Бор
h-BN
борофены
[9][10]
6
C
Углерод
Графен [11]
14
Si
Кремний
Силицен [12]
15
P
Фосфор
Фосфорен [12]
22
Ti
Титан
TiS2, TiSe2, TiTe2 [9]
23
V
Ванадий
VS2, VSe2, VTe2, VCl2, VBr2, VI2 [9]
24
Cr
Хром
CrS2, CrSe2, CrTe2 [9]
39
Y
Иттрий
YN2
32
Ge
Германий
Германен [13]
40
Zr
Цирконий
ZrS2, ZrSe2, ZrTe2, ZrN2 [9][14]
41
Nb
Ниобий
NbS2, NbSe2, NbTe2 [9]
42
Mo
Молибден
MoS2, MoSe2, MoTe2, MoN2 [9][14]
43
Tc
Технеций
TcN2 [14]
46
Pd
Палладий
PdS2, PdSe2, PdTe2 [9]
50
Sn
Олово
Станен [12]
51
Sb
Сурьма
Антимонен [15][16]
72
Hf
Гафний
HfS2, HfSe2, HfTe2 [9]
73
Ta
Тантал
TaS2, TaSe2, TaTe2 [9]
74
W
Вольфрам
WS2, WSe2, WTe2 [9]
78
Pt
Платина
PtS2, PtSe2, PtTe2 [9]

Существуют и органические двумерные кристаллы, такие как (BEDT-TTF)2X.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Gibney, Elizabeth. The super materials that could trump graphene, Nature, Nature (17 июня 2015). Дата обращения 1 ноября 2015.
  2. J. C. Meyer, A. K. Geim, M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov, T. J. Booth, S. Roth. The structure of suspended graphene sheets // Nature. — 2007. — Vol. 446. — P. 60-63. — DOI:10.1038/nature05545.
  3. Путешествие по Флатландии
  4. K. S. Novoselov et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science. — 2004. — Vol. 306, no. 5696. — P. 666-669. — DOI:10.1126/science.1102896.
  5. K. S. Novoselov et al. Two-dimensional atomic crystals // PNAS. — 2005. — Vol. 102, no. 30. — P. 10451–10453. — DOI:10.1073/pnas.0502848102.
  6. J.-H. Lee et al. Wafer-Scale Growth of Single-Crystal Monolayer Graphene on Reusable Hydrogen-Terminated Germanium // Science. — 2014. — Vol. 344, no. 6181. — P. 286-289. — DOI:10.1126/science.1252268.
  7. Lebègue S., Björkman T., Klintenberg M., Nieminen R. M., and Eriksson O. Two-Dimensional Materials from Data Filtering and Ab Initio Calculations // Phys. Rev. X. — 2013. — Т. 3. — С. 031002. — DOI:10.1103/PhysRevX.3.031002.
  8. Калихман В. Л., Уманский Я. С. Халькогениды переходных металлов со слоистой структурой и особенности заполнения их бриллюэновой зоны // УФН. — 1972. — Т. 108. — С. 503–528. — DOI:10.3367/UFNr.0108.197211d.0503.
  9. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Lebegue, 2013.
  10. Baojie Feng, Jin Zhang, Qing Zhong, Wenbin Li, Shuai Li, Hui Li, Peng Cheng, Sheng Meng, Lan Chen & Kehui Wu. Experimental realization of two-dimensional boron sheets // Nature Chemistry. — 2016. — Vol. 8. — P. 563–568. — DOI:10.1038/nchem.2491.
  11. Balendhran S., Walia S., Nili H., Sriram S. and Bhaskaran M. Elemental Analogues of Graphene: Silicene, Germanene, Stanene, and Phosphorene // Small. — 2015. — Т. 11. — С. 640-652. — DOI:10.1002/smll.201402041.
  12. 1 2 3 Balendhran, 2015.
  13. Wu F., Huang C., Wu H., Lee C., Deng K., Kan E., and Jena P. Atomically Thin Transition-Metal Dinitrides: High-Temperature Ferromagnetism and Half-Metallicity // Nano Lett.. — 2015. — Т. 15. — С. 8277–8281. — DOI:10.1021/acs.nanolett.5b03835.
  14. 1 2 3 Wu, 2015.
  15. Pablo Ares, Juan José Palacios, Gonzalo Abellán, Julio Gómez-Herrero, and Félix Zamora. Recent Progress on Antimonene: A New Bidimensional Material // Adv. Mater. — 2017. — P. 1703771. — DOI:10.1002/adma.201703771.
  16. Т. В. Куликова, Л. А. Битюцкая, А. В. Тучин, А. А. Аверин. Формирование аллотропной наномодификации Sb — мультиантимонена при спонтанной кристаллизации расплава // Перспективные материалы. — 2017. — № 3. — С. 5 – 13.