Новые возможности графена и надежда на получение прорывных 2D материалов
С тех пор, как графен был впервые получен в 2004 году лауреатом Нобелевской премии, создавшим совершенно новую захватывающую область исследований материаловедения, 2D-материалы имели всевозможные приложения. Теперь, на переднем крае исследований, ученые-исследователи обнаруживают, что слои этих атомно-тонких материалов могут открыть совершенно новый мир увлекательных и полезных свойств.
Открытие графена было чем-то вроде возврата к физике. Это было далеко от огромных коллабораций LIGO (первый, чтобы наблюдать гравитационные волны) и CERN (первый, чтобы найти бозон Хиггса), которые требуют тысяч ученых и миллиардного оборудования. Профессора Гейм и Новоселов открыли графен, экспериментируя с какой-то липкой лентой и блоком графита: удивительно, но они смогли "отшелушить" слой толщиной в один атом.
Открытие, возможно, было сдержанным и неожиданным, но последующей шумихи над свойствами этого материала, конечно, не было. Графен ультра-легкий, чрезвычайно жесткий, но гибкий и растягивающийся. Часто с превосходными электронными свойствами, 2D материалы могут быть сильными проводниками электричества. Некоторые 2D материалы можно штабелировать совместно или совмещать для того чтобы иметь настраиваемые bandgaps (стабильный транзисторный источник опорного напряжения) полупроводника, которые могут сделать совершенные материалы для производства супер эффективных панелей солнечных батарей, совершенно точно настроенные к длинам волны света от солнца.
Хотя сила и гибкость графена привели энтузиастов к тому, чтобы представить его использование в качестве нового, универсального превосходного строительного материала, именно эти оптические и электронные свойства обеспечивают первые варианты использования графена. Недавнее исследование смешало различные типы графена для того чтобы получить световые элементы, которые смогли испускать свет через весь видимый спектр. Обычные светодиоды излучают одну длину волны и поэтому дисплеи смеси красного, синего и зеленого для получения полноцветного изображения. Если бы светодиод на основе графена можно было стабилизировать и сделать более эффективным, вам понадобился бы только один светодиод с настраиваемыми цветами, что позволяет использовать гибкие дисплеи.
2D материалы могут показаться чудесными, до такой степени, что были проведены эксперименты, чтобы увидеть, может ли графен быть пуленепробиваемым. Это не все, что придумано-хотя атомарно тонкий, графен очень эффективен при передаче импульса через свою решетку, а пуленепробиваемые материалы, такие как кевлар, часто работают, рассеивая энергию от удара по более широкой области. В то время, как потребовалось 300 слоев графена (с зазорами между каждым слоем), чтобы остановить специально разработанную “микро пулю”, ученые в прошлом году обнаружили, что двухслойный графен может совершить фазовый переход, чтобы стать более твердым и жестким, чем алмаз.
С момента своего открытия к графену присоединились новые 2D-материалы.
2D материал Stanene является атомарно тонким оловом; укладки нескольких слоев stanene может привести к фазовому переходу к сверхпроводимости. Пока температура перехода не ставит двухслойный Stanene в область высокотемпературных сверхпроводников, но любое новое проявление сверхпроводимости возбуждает физиков.
Германий был элементом, который первоначально не вызывал интерес к своим электронным свойствам. Многие из самых ранних транзисторов используют германий вместо кремния, хотя до недавнего времени он был вытеснен кремнием, который проще использовать в массовом производстве.
Теперь отдельные слои германия относятся к двумерным материалам, рекламируемым наряду с графеном. В то время как знаменитая гексагональная кристаллическая структура графена плоская, кристаллическая структура германия застегивается; его решетка состоит из двух вертикально разделенных подрешеток. Внешняя деформация или применение внешних электрических полей к германию может привести к изменению его зоны действия; это связано с этой структурой с двойной решеткой, но может позволить использовать германенин в полевых транзисторах.
Первоначальная шумиха вокруг приложений графена была заменена более устойчивым подходом. У нас пока нет пуленепробиваемых графеновых самолетов, поездов и автомобилей, но графен медленно, но верно движется к реализации своего потенциала, поскольку проводится больше исследований каждого возможного применения. Датчики на основе графена уже широко производятся. Несмотря на всю шумиху вокруг замены кремния в качестве основного материала в электронике, некоторые из первых коммерческих применений 2D-материалов, таких как графен, были взяты на вооружение.
В долгосрочной перспективе кажется вероятным, что графен и другие 2D-материалы найдут свои ниши. В то же время экспериментальное понимание того, что объединение отдельных слоев атомно-тонких материалов может привести к новым, неожиданным и полезным свойствам, открыло новую область исследований: ван-дер-ваальсовых структур. Эти материалы существуют в переходном режиме - между объемными свойствами крупномасштабной материи, с которой мы знакомы, и квантовой сферой на атомном уровне. Результатом этого является новая физика и технологии.
Эти гетероструктуры представляют собой стеки различных слоев графена, германена, силицена и станена, но также и молекулярных монослоев. Они названы в честь слабых ван-дер-ваальсовых сил, которые притягивают молекулы друг к другу. Эти силы обусловлены сдвиговыми распределениями заряда в слоях взаимодействующих друг с другом молекул.
Эти силы Ван-дер-Ваальса слабее, чем электростатические силы, и быстрее уходят с дистанции, но их достаточно, чтобы сохранить эти «Lego-подобные» структуры вместе. Планы атомов в гексагональных двумерных устройствах могут быть сложены, а затем возможный диапазон основных физических свойств и материалов для исследования может быть умножен экспоненциально. Каждый новый синтезированный 2D-материал добавляет больше потенциальных комбинаций, и уже могут быть синтезированы тринадцать новых материалов, каждый из которых состоит из четырех различных материалов.
Рассмотрим, например, поиск высокотемпературного сверхпроводника. Мы знаем, что это наиболее желательное материальное свойство тонко связано со структурой кристаллической решетки, как и в случае структур YCBO. Укладка 2D-материалов предлагает новый новый способ экспериментального исследования этих явлений.
«Что, если мы подражаем слоистым сверхпроводникам, используя атомно-масштабный Lego? Висмутовые стронция кальциевые оксидные сверхпроводники (BSCCO) могут быть разобраны в отдельные атомарно тонкие плоскости. Их повторная сборка с некоторыми разумно угаданными различиями кажется целесообразной, особенно когда механизм высокотемпературной сверхпроводимости остается неизвестным», - писал профессор Гейм.
На данный момент графен остается наиболее вероятным двумерным материалом, чтобы видеть краткосрочные результаты, отчасти из-за финансирования его исследований и отчасти потому, что он может быть произведен более быстро. Эксфолиационный метод постепенного вытягивания слоев графита для получения графена не может использоваться с каждым двумерным материалом, хотя он и производит чистейшие кристаллы.
Многие из более экзотических материалов должны быть получены методом молекулярно-лучевой эпитаксии - кропотливо наносят отдельные атомы на поверхность в условиях высокого вакуума и высокой температуры. Это ограничит возможности массового производства или массового использования для 2D-кристаллов до тех пор, пока технология не станет дешевле.
Тем не менее, это неизбежно, учитывая спрос на все более совершенные электронные компоненты для батарей, полупроводников и транзисторов, а также для оптоэлектроники, таких как солнечные панели и светодиоды, мы узнаем, как лучше всего использовать удивительные свойства 2D-материалов. Это мечта о производстве, достигающем ультрасовременной тонкой настройки основных физических свойств при тщательном выборе материалов. Как дети с набором Лего, единственным пределом для того, что мы можем построить, может быть наше воображение.