Просмотр кода страницы Двумерный кристалл

'''Двумерный кристалл''' — плоский [[кристалл]], обладающий [[Трансляционная симметрия|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 [[зонная структура|зонной структурой]], поэтому говорят об их металлических, полупроводниковых и диэлектрических свойствах. Исследователи ограничивают количество двумерных кристаллов цифрой 500<ref name=Gibney>{{cite news|last=Gibney|first=Elizabeth|title=The super materials that could trump graphene|url=http://www.nature.com/news/the-super-materials-that-could-trump-graphene-1.17775|accessdate=2015-11-01|work=Nature|publisher=Nature|date=2015-06-17|archivedate=2015-10-31|archiveurl=https://web.archive.org/web/20151031111706/http://www.nature.com/news/the-super-materials-that-could-trump-graphene-1.17775}}</ref>.

== Стабильность двумерных кристаллов ==
Ещё в 1930-е годы [[Ландау, Лев Давидович|Ландау]] и [[Пайерлс, Рудольф Эрнст|Пайерлс]] показали, что кристалл в двух измерениях непременно будет разрушаться тепловыми [[флуктуация]]ми положений атомов в решётке. Это утверждение соответствовало экспериментальным данным на протяжении десятков лет.

Тем не менее, несмотря на собственную двухмерность, двумерные кристаллы всё же находятся в трёхмерном пространстве, и взаимодействие поперечных деформаций с деформациями в плоскости приводит к термодинамической стабильности.<ref>{{публикация|статья|автор=J. C. Meyer, A. K. Geim, M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov, T. J. Booth, S. Roth|заглавие=The structure of suspended graphene sheets|издание=Nature|год=2007|volume=446|pages=60—63|doi=10.1038/nature05545}}</ref> 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 [[Гейм, Андрей Константинович|Гейма]] и [[Новосёлов, Константин Сергеевич|Новосёлова]] в [[2004 год в науке|2004 году]].

Поперечный размер бугорков в графене составляет около 10 нм, высота — менее нанометра.<ref>[http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/432860/ Путешествие по Флатландии]</ref>

== Методы получения ==
Первым из двумерных кристаллов был исследован [[графен]]<ref name=novoselov_Science_2004>{{публикация|статья|автор=K. S. Novoselov et al|заглавие=Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films|издание=Science|год=2004|issue=5696|volume=306|pages=666—669|doi=10.1126/science.1102896}}</ref>. Его получали методом механического расщепления объёмного кристалла [[графит]]а. Этот метод оказался удобен для получения других двумерных кристаллов из слоистых материалов<ref name="novoselov_PNAS_2005">{{публикация|статья|автор=K. S. Novoselov et al|заглавие=Two-dimensional atomic crystals|издание=PNAS|год=2005|issue=30|volume=102|pages=10451–10453|doi=10.1073/pnas.0502848102}}</ref>. Другой двумерный кристалл [[фосфорен]], составленный из фосфора, был получен аналогично.

К настоящему времени разработаны различные физические и химические методы [[Получение графена|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 [[монокристалл]]ы сантиметровых размеров<ref>{{публикация|статья|автор=J.-H. Lee et al|заглавие=Wafer-Scale Growth of Single-Crystal Monolayer Graphene on Reusable Hydrogen-Terminated Germanium|издание=Science|год=2014|issue=6181|volume=344|pages=286—289|doi=10.1126/science.1252268}}</ref>.

== Примеры двумерных кристаллов ==
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 MeX<sub>2</sub><ref>{{статья
 |автор       = Lebègue S., Björkman T., Klintenberg M., Nieminen R. M., and Eriksson O.
 |заглавие    = Two-Dimensional Materials from Data Filtering and Ab Initio Calculations
 |ссылка      = http://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.3.031002
 |издание     = Phys. Rev. X
 |год         = 2013
 |том         = 3
 |страницы    = 031002
 |doi         = 10.1103/PhysRevX.3.031002
 |ref         = Lebegue
 |archivedate = 2020-07-09
 |archiveurl  = https://web.archive.org/web/20200709131551/https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.3.031002
}}</ref><ref>{{статья
 |автор       = Калихман В. Л., Уманский Я. С.
 |заглавие    = Халькогениды переходных металлов со слоистой структурой и особенности заполнения их бриллюэновой зоны
 |ссылка      = http://ufn.ru/ru/articles/1972/11/d/
 |издание     = УФН
 |год         = 1972
 |том         = 108
 |страницы    = 503–528
 |doi         = 10.3367/UFNr.0108.197211d.0503
 |ref         = Калихман
 |archivedate = 2015-11-21
 |archiveurl  = https://web.archive.org/web/20151121215814/http://ufn.ru/ru/articles/1972/11/d/
}}</ref>.

{| class="standard" style="text-align: center; margin: auto"
|+ '''Двумерные кристаллы'''
|- style="font-weight: bold"
| bgcolor="#FFFFFF" width="10%" | <small>[[Химический элемент|Элемент]]</small>
| bgcolor="#FFFFFF" | <small>[[Химическое соединение|Соединение]]</small>
| bgcolor="#FFFFFF" | <small>Источник</small>
|-
| bgcolor="#FFFFFF" colspan="19" |
|-
|| 5<br>[[бор (элемент)|B]]<br><small>Бор</small>
|| [[нитрид бора (двумерный кристалл)|h-BN]]<br>[[борофен]]ы
|| {{sfn|Lebegue|2013}}<ref>{{публикация|статья|автор=Baojie Feng, Jin Zhang, Qing Zhong, Wenbin Li, Shuai Li, Hui Li, Peng Cheng, Sheng Meng, Lan Chen & Kehui Wu|заглавие=Experimental realization of two-dimensional boron sheets|издание=Nature Chemistry|год=2016|volume=8|pages=563–568|doi=10.1038/nchem.2491}}</ref>
|-
|| 6<br>[[углерод|C]]<br><small>Углерод</small>
|| [[Графен]], [[Графин (вещество)|Графин]]
||<ref>{{статья
 |автор       = Balendhran S., Walia S., Nili H., Sriram S. and Bhaskaran M.
 |заглавие    = Elemental Analogues of Graphene: Silicene, Germanene, Stanene, and Phosphorene
 |ссылка      = http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201402041/abstract
 |издание     = Small
 |год         = 2015
 |том         = 11
 |страницы    = 640—652
 |doi         = 10.1002/smll.201402041
 |ref         = Balendhran
 |archivedate = 2015-05-10
 |archiveurl  = https://web.archive.org/web/20150510034223/http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201402041/abstract
}}</ref><ref>{{Статья|ссылка=http://xlink.rsc.org/?DOI=C8CS00773J|автор=Xin Gao, Huibiao Liu, Dan Wang, Jin Zhang|заглавие=Graphdiyne: synthesis, properties, and applications|год=2019|язык=en|издание=Chemical Society Reviews|том=48|выпуск=3|страницы=908–936|issn=0306-0012, 1460-4744|doi=10.1039/C8CS00773J}}</ref>
|-
|| 14<br>[[Кремний|Si]]<br><small>Кремний</small>
|| [[Силицен]]
|| {{sfn|Balendhran|2015}}
|-
|| 15<br>[[Фосфор|P]]<br><small>Фосфор</small>
|| [[Фосфорен]]
|| {{sfn|Balendhran|2015}}
|-
|| 22<br>[[титан (элемент)|Ti]]<br><small>Титан</small>
|| [[Дисульфид титана|TiS<sub>2</sub>]], [[Диселенид титана|TiSe<sub>2</sub>]], TiTe<sub>2</sub>
|| {{sfn|Lebegue|2013}}
|-
|| 23<br>[[ванадий|V]]<br><small>Ванадий</small>
|| [[Дисульфид ванадия|VS<sub>2</sub>]], [[Диселенид ванадия|VSe<sub>2</sub>]], VTe<sub>2</sub>, [[Хлорид ванадия(II)|VCl<sub>2</sub>]], [[Бромид ванадия(II)|VBr<sub>2</sub>]], [[Иодид ванадия(II)|VI<sub>2</sub>]]
|| {{sfn|Lebegue|2013}}
|-
|| 24<br>[[хром|Cr]]<br><small>Хром</small>
|| CrS<sub>2</sub>, CrSe<sub>2</sub>, CrTe<sub>2</sub>
|| {{sfn|Lebegue|2013}}
|-
|| 39<br>[[Иттрий|Y]]<br><small>Иттрий</small>
|| [[Динитрид иттрия|YN<sub>2</sub>]]
||
|-
|| 32<br>[[германий|Ge]]<br><small>Германий</small>
|| [[Германен]]
||<ref>{{статья
 |автор       = Wu F.,  Huang C., Wu H., Lee C., Deng K., Kan E., and Jena P.
 |заглавие    = Atomically Thin Transition-Metal Dinitrides: High-Temperature Ferromagnetism and Half-Metallicity
 |ссылка      = http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b03835
 |издание     = Nano Lett.
 |год         = 2015
 |том         = 15
 |страницы    = 8277–8281
 |doi         = 10.1021/acs.nanolett.5b03835
 |ref         = Wu
 |archivedate = 2017-05-19
 |archiveurl  = https://web.archive.org/web/20170519084636/http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b03835
}}</ref>
|-
|| 40<br>[[цирконий|Zr]]<br><small>Цирконий</small>
|| [[Дисульфид циркония|ZrS<sub>2</sub>]], [[Диселенид циркония|ZrSe<sub>2</sub>]], ZrTe<sub>2</sub>, [[Динитрид циркония|ZrN<sub>2</sub>]]
|| {{sfn|Lebegue|2013}}{{sfn|Wu|2015}}
|-
|| 41<br>[[ниобий|Nb]]<br><small>Ниобий</small>
|| [[Дисульфид ниобия|NbS<sub>2</sub>]], [[Диселенид ниобия|NbSe<sub>2</sub>]], [[Дителлурид ниобия|NbTe<sub>2</sub>]]
|| {{sfn|Lebegue|2013}}
|-
|| 42<br>[[молибден|Mo]]<br><small>Молибден</small>
|| [[Двумерный дисульфид молибдена|MoS]]<sub>2</sub>, [[Диселенид молибдена|MoSe<sub>2</sub>]], MoTe<sub>2</sub>, [[Динитрид молибдена|MoN<sub>2</sub>]]
|| {{sfn|Lebegue|2013}}{{sfn|Wu|2015}}
|-
|| 43<br>[[Технеций|Tc]]<br><small>Технеций</small>
|| [[Динитрид технеция|TcN<sub>2</sub>]]
|| {{sfn|Wu|2015}}
|-
|| 46<br>[[палладий|Pd]]<br><small>Палладий</small>
|| [[Сульфид палладия(IV)|PdS<sub>2</sub>]], [[Диселенид палладия|PdSe<sub>2</sub>]], [[Дителлурид палладия|PdTe<sub>2</sub>]]
|| {{sfn|Lebegue|2013}}
|-
|| 50<br>[[олово|Sn]]<br><small>Олово</small>
|| [[Станен]]
|| {{sfn|Balendhran|2015}}
|-
|| 51<br>[[сурьма|Sb]]<br><small>Сурьма</small>
|| Антимонен
||<ref>{{публикация|статья|автор=Pablo Ares, Juan José Palacios, Gonzalo Abellán, Julio Gómez-Herrero, and Félix Zamora|заглавие=Recent Progress on Antimonene: A New Bidimensional Material|издание=Adv. Mater.|издание nodot=.|год=2017|pages=1703771|doi=10.1002/adma.201703771}}</ref><ref>{{публикация|статья|автор=Т. В. Куликова, Л. А. Битюцкая, А. В. Тучин, А. А. Аверин|заглавие=Формирование аллотропной наномодификации Sb — мультиантимонена при спонтанной кристаллизации расплава|издание=Перспективные материалы|год=2017|номер=3|страницы=5 – 13}}</ref>
|-
|| 72<br>[[гафний|Hf]]<br><small>Гафний</small>
|| [[Дисульфид гафния|HfS<sub>2</sub>]], [[Диселенид гафния|HfSe<sub>2</sub>]], HfTe<sub>2</sub>
|| {{sfn|Lebegue|2013}}
|-
|| 73<br>[[Тантал (элемент)|Ta]]<br><small>Тантал</small>
|| [[Дисульфид тантала|TaS<sub>2</sub>]], [[Диселенид тантала|TaSe<sub>2</sub>]], TaTe<sub>2</sub>
|| {{sfn|Lebegue|2013}}
|-
|| 74<br>[[вольфрам|W]]<br><small>Вольфрам</small>
|| [[Дисульфид вольфрама|WS<sub>2</sub>]], [[Селенид вольфрама(IV)|WSe<sub>2</sub>]], [[Теллурид вольфрама(IV)|WTe<sub>2</sub>]]
|| {{sfn|Lebegue|2013}}
|-
|| 78<br>[[платина|Pt]]<br><small>Платина</small>
|| [[Сульфид платины(IV)|PtS<sub>2</sub>]], [[Диселенид платины|PtSe<sub>2</sub>]], [[Дителлурид платины|PtTe<sub>2</sub>]]
|| {{sfn|Lebegue|2013}}
|}

Существуют и органические двумерные кристаллы, такие как [[:en:Organic superconductor#Two-dimensional (BEDT-TTF)2X|(BEDT-TTF)<sub>2</sub>X]].

== См. также ==
* [[Двумерный электронный газ]]

== Примечания ==
{{примечания|2}}

[[Категория:Двумерные кристаллы|*]]