Двумерные материалы за пределами графена

Особенности двумерных материалов

Двумерные (2D) материалы — это кристаллы толщиной в один или несколько атомных слоев, обладающие уникальными электронными, оптическими и механическими свойствами, отличными от трехмерных аналогов.

Помимо графена, который является эталоном 2D материалов, в последние годы изучается множество других представителей, обладающих различными функциональными возможностями.

Классы и примеры двумерных материалов

• Дихалькогениды переходных металлов (TMDs) — например, MoS₂, WS₂, MoSe₂. Обладают прямой зонной структурой при толщине одного слоя, что важно для оптоэлектроники.
• Гексагональные нитриды — например, гексагональный нитрид бора (h-BN), обладающий широкой запрещённой зоной и выступающий в роли диэлектрического слоя.
• Двумерные оксиды и гидроксиды — включают материалы с каталитическими и сенсорными свойствами.
• Двумерные материалы на основе черных фосфоров (фосфорены) — характеризуются анизотропными электронными и оптическими свойствами.

Электронные свойства и применение

Каждый класс 2D материалов демонстрирует уникальный электронный спектр:

• TMDs имеют прямую запрещённую зону в монослое, что способствует их применению в фотодетекторах и транзисторах.
• h-BN используют как подложку для создания гетероструктур с другими 2D материалами, обеспечивая высокое качество интерфейсов.
• Фосфорены отличаются высокой подвижностью носителей и регулируемой шириной запрещённой зоны.

Эти материалы активно исследуются для использования в нанотранзисторах, гибкой электронике, катализе, сенсорике и энергохранении.

Методы синтеза двумерных материалов

• Механическое отслаивание (скотч-метод) — позволяет получить высококачественные монослои, но с ограниченной масштабируемостью.
• Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) — промышленный метод, обеспечивающий производство больших площадей 2D пленок.
• Химический и жидкостный эксфолиационный методы — позволяют получать дисперсии 2D материалов, подходящие для печатной электроники и композитных материалов.

Гетероструктуры и новые функциональные свойства

Создание вертикальных и латеральных гетероструктур из различных 2D материалов открывает новые возможности для разработки электронных и оптоэлектронных устройств с заданными характеристиками.

Перспективны эффекты, связанные с межслойным взаимодействием, такие как туннелирование, межслойный обмен спином и формирование экситонов с высокой связностью.