Двумерные материалы представляют собой кристаллы толщиной в один или несколько атомных слоёв, где движение электронов и квазичастиц существенно ограничено в направлении, перпендикулярном плоскости. Классическим примером является графен — монослой углерода с гексагональной структурой, открытие которого положило начало целой области исследований. В отличие от трёхмерных кристаллов, двумерные материалы обладают крайне высокой анизотропией свойств, что делает их физику уникальной.
Кристаллическая решётка двумерных материалов характеризуется:
Примером таких систем являются не только графен, но и дихалькогениды переходных металлов (MoS₂, WS₂), гексагональный нитрид бора (h-BN), а также фосфорен, германен, силицен и многочисленные ван-дер-ваальсовы гетероструктуры.
Энергетический спектр в двумерных материалах резко отличается от трёхмерных аналогов. В графене электроны описываются уравнением Дирака для безмассовых фермионов, что приводит к линейной дисперсии около точек K и K′ зоны Бриллюэна. Это обусловливает уникальные свойства: высокую подвижность носителей, отсутствие щели и возможность наблюдения аномального квантового эффекта Холла.
В дихалькогенидах переходных металлов наблюдается переход от непрямой запрещённой зоны в объемных кристаллах к прямой щели в монослоях. Это радикально изменяет оптические свойства и делает их перспективными для наноэлектроники и оптоэлектроники.
Особенности зонной структуры двумерных материалов:
Колебательные свойства двумерных материалов принципиально связаны с их устойчивостью. В двумерных решётках присутствуют три акустические моды: продольная (LA), поперечная (TA) и изгибная (ZA). Последняя уникальна для двумерных систем и отвечает за гибкость слоёв.
В графене изгибные колебания приводят к флуктуациям, которые при комнатной температуре стабилизируются за счёт ангармонизма. Для дихалькогенидов переходных металлов важным фактором является взаимодействие фононов с экситонами и магнонами, что влияет на оптический отклик.
Фононные спектры двумерных материалов можно изучать методами неупругого рассеяния нейтронов и спектроскопией комбинационного рассеяния света (Раман-спектроскопия).
Двумерные материалы демонстрируют широкий спектр транспортных режимов: от баллистического переноса до сильной локализации. В графене электроны могут перемещаться на микронные расстояния без рассеяния благодаря линейной дисперсии и малой эффективной массе.
Особенности транспортных свойств:
В дихалькогенидах, напротив, транспорт контролируется наличием щели, а также сильным влиянием спин-орбитального взаимодействия.
Двумерные материалы обладают крайне выраженными экситонными эффектами из-за слабого экранирования кулоновского взаимодействия в двумерной геометрии. В дихалькогенидах переходных металлов энергия связи экситонов может достигать сотен миллиэлектронвольт, что позволяет наблюдать их даже при комнатной температуре.
Ключевые особенности:
Одним из главных достижений в области двумерных материалов является создание искусственных гетероструктур методом механической сборки слоёв различных кристаллов. Такие структуры удерживаются ван-дер-ваальсовыми силами, что позволяет комбинировать материалы с несовместимыми параметрами решётки.
Преимущества гетероструктур:
В таких системах наблюдаются новые явления: сверхпроводимость, изоляционные состояния при половинном заполнении зоны, коррелированные эффекты, аналогичные системам сильных электронных корреляций.
Двумерные материалы позволяют реализовать различные топологические фазы. Примером является квантовый эффект Холла без магнитного поля (квантовый спиновый эффект Холла), возникающий за счёт спин-орбитального взаимодействия.
Возможные квантовые состояния:
Эти состояния перспективны для квантовой электроники и спинтроники, обеспечивая проводимость по краям при сохранении изоляции в объёме.
Двумерные материалы открывают путь к миниатюризации электроники и созданию новых типов устройств:
Развитие данной области связывают с созданием универсальных наноплатформ, где электронные, фононные, магнонные и фотонные степени свободы будут взаимосвязаны и управляемы в атомно-тонких системах.