Двумерный кристалл

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Версия для печати больше не поддерживается и может содержать ошибки обработки. Обновите закладки браузера и используйте вместо этого функцию печати браузера по умолчанию.

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].

Стабильность двумерных кристаллов

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 двухмерность, 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 получения

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 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 MeX2[7][8].

Двумерные кристаллы
Элемент Соединение Источник
5
B
Бор 		h-BN
борофены 		[9][10]
6
C
Углерод 		Графен, Графин [11][12]
14
Si
Кремний 		Силицен [13]
15
P
Фосфор 		Фосфорен [13]
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 [14]
40
Zr
Цирконий 		ZrS2, ZrSe2, ZrTe2, ZrN2 [9][15]
41
Nb
Ниобий 		NbS2, NbSe2, NbTe2 [9]
42
Mo
Молибден 		MoS2, MoSe2, MoTe2, MoN2 [9][15]
43
Tc
Технеций 		TcN2 [15]
46
Pd
Палладий 		PdS2, PdSe2, PdTe2 [9]
50
Sn
Олово 		Станен [13]
51
Sb
Сурьма 		Антимонен [16][17]
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. также

Примечания

  1. ↑ Gibney, Elizabeth (2015-06-17). "The super materials that could trump graphene". Nature. Nature. Архивировано 31 октября 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. Архивировано 9 июля 2020 года.
  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. Архивировано 21 ноября 2015 года.
  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. Архивировано 10 мая 2015 года.
  12. ↑ Xin Gao, Huibiao Liu, Dan Wang, Jin Zhang. Graphdiyne: synthesis, properties, and applications (англ.) // Chemical Society Reviews. — 2019. — Vol. 48, iss. 3. — P. 908–936. — ISSN 1460-4744 0306-0012, 1460-4744. — doi:10.1039/C8CS00773J.
  13. ↑ 1 2 3 Balendhran, 2015.
  14. ↑ 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. Архивировано 19 мая 2017 года.
  15. ↑ 1 2 3 Wu, 2015.
  16. ↑ 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.
  17. ↑ 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.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Двумерный_кристалл&oldid=137211121