Kelionė lygumoje

Kelionė lygumoje

P. B. Sorokin
"Chemija ir gyvybė" №9, 2015

Ar žinai, svetimas, kad esate žemėje, kurioje yra du matmenys?
– Taip.
E. S. Veltistovas. Nuotykių elektronika

Kaip viskas prasidėjo

"Grafenas: Flatland medžiagos" buvo 2010 m. Pateiktas Konstantino Sergejevičiaus Novoselovo Nobelio paskaita. Pavadinimas yra aliuzija į fantastišką anglų teologo patarėjo Edwino Abbott'o "Flatland: daugelio dimensijų romaną", pirmą kartą paskelbtą 1884 m., Dvimatis herojaus iš šios knygos atskleidžia erdvinį pasaulį. Mūsų pasaulyje tai buvo Konstantinas Novoselovas, kuris buvo mokslininkas mokslininkų požiūriu vienos iš "Flatland", naujos šalies mokslininkų požiūriu, "erdvinių medžiagų" srityje.

Šiame straipsnyje trumpai apibūdinami Flatland tyrimo etapai. Jos studija toli gražu nėra baigta; arčiau tiesos sakys, kad ji ką tik prasidėjo. Kaip ir dabartinėje kelionėje, pirmieji tyrinėtojai pirmiausia sukuria planetą, išsamiai išnagrinėja vietą, kurioje jie nusileido, ir tada pradeda judėti į teritorijos gelmes. Flatland "Flatland" studijoms – grafenas, rodantis labai neįprastas savybes.

Konstantinas Novoselovas dalinosi Nobelio premija su savo mokytoju Andreju Geimu, kuris 2003 m. Jam pasiūlė, o vėliau – savo studentišką studentą, siekdamas sumažinti grafito storį iki atominės. Novoselovas naudojo paprastą metodą – jis įstrigo lipnią juostelę į grafito kristalą, kurį jis tada ištraukė, o mikroskopiniai grafito gabalai liko ant jo. Tada ši juostelė su grafito gabalėliais buvo nuspaustas į tam tikrą substratą, ir jei grafito sujungimas su šiuo pagrindu buvo didesnis nei grafito sluoksniai tarp jų, ant pagrindo liko grafito monolito. Tai buvo pirmasis būdas gauti anglies plėvelę su atominiu storiu, tai yra, graphene (1a pav.).

Pav. 1. Kai kurie Flatland gyventojai: a – grafenas b – hBN, į – MoS2, g – fosforas; viršuje – kino struktūros, žemyn žemyn – eksperimentiniai vaizdai ")"> Pav. 1. Kai kurie Flatland gyventojai: a – grafenas b – hBN, į – MoS2, g – fosforas; viršuje – kino struktūros, žemyn žemyn – eksperimentiniai vaizdai "border = 0> Pav. 1. Kai kurie Flatland gyventojai: a – grafenas b – hBN, į – MoS2, g – fosforas; viršuje – kino struktūros, žemyn žemyn – eksperimentiniai vaizdai

Anksčiau buvo manoma, kad dvimatis laisvosios būsenos filmas negali būti gautas dėl termodinaminio nestabilumo.Tačiau pasirodė, kad, jei jis yra šiek tiek deformuotas, pavyzdžiui, jame yra purentalų, nanoskanalių gumbų, tokia struktūra gali egzistuoti be kontakto su pagrindu. Graphene kalvos skersinis dydis yra apie 10 nm, aukštis yra mažesnis nei nanometras. Toks nedidelis struktūros iškraipymas vis dar leidžia mums laikyti grafiną dvimačiu objektu.

Netikėtas rezultatas, gautas "Heim" grupėje, sukėlė daugybę mušamųjų galvijų – unikali medžiaga, nauja ir didžiulė mokslo sritis, tiesiog paženklinta kiekvieno akimis. Be to, lipnios juostos metodas dažnai naudojamas įvairiems paviršiams valyti (įskaitant grafitą!), O lipni juosta visada išmesta. Taigi Nobelio premija po dienos išleido šiukšlių dėžę.

Pav. 2 Jie atliko svarbų vaidmenį atrasti ir studijuoti grafenas. Iš kairės į dešinę: A. Geimas, K. S. Novoselovas ir M. I. Katsnelsonas ")"> Pav. 2 Jie atliko svarbų vaidmenį atrasti ir studijuoti grafenas. Iš kairės į dešinę: A. Geim, K. S. Novoselovas ir M. I. Katsnelsonas "border = 0> Pav. 2 Jie atliko svarbų vaidmenį atrasti ir studijuoti grafenas. Iš kairės į dešinę: A. Geim, K. S.Novoselovas ir M. I. Кацнельсон

Tolesni Heimo, Novoselovo ir jų kolegų tyrimai, tarp jų ir M. I. Katsnelsonas, kurie aprašė elektronines grafeno savybes, atskleidė unikalias naujos medžiagos savybes. Grafenas iškart susidomėjo. Daugelis straipsnių buvo paskelbti (tuo metu, kai jau yra daugiau nei 100 tūkstančių!), Kuriame aptarti jos įvairūs parametrai. Greitai paaiškėjo, kad Grafene "Flatland" nėra vienišas, o kitų sluoksnių kristalai gali būti naudojami mikromechaninio atskyrimo metodu. Tokiu būdu buvo gautas dvimatė boro nitridas, dvimatis molibdeno disulfidas ir kiti filmai, kurių atominis storis – daugiau nei 50 skirtingų tipų. Naujoji mokslo sritis pasirodė tokia didžiulė, kad šiandien graphene buvo gerai ištirta. Nepaisant to, straipsniai ir toliau atsiranda dėl naujų efektų. Ir mokslinė bendruomenė tik pradeda tyrinėti kitas dvimatis medžiagas.

Privalumai

Grafenas turi unikalią savybę – linijinė priklausomybė nuo krūvininkų, elektronų ir skylių energijos impulso. Gamtoje yra dalelių, kurių energija taip pat priklauso nuo impulso – tai yra fotonai.Fotonai turi nulinio poilsio masę, o jų greitis yra lygus šviesos greičiui. Tai reiškia, kad elektronai ir skylės grafe turi veikti panašiai. Jų veiksminga masė yra lygi nuliui, o greitis, nors ir ne lygus šviesos greičiui, yra gerokai didesnis nei kitose medžiagose esančių krūvininkų laikrodžių greitis. Taigi, jau sukurtą matematinį aparatą, skirtą reliatyvizuotų dalelių apibūdinimui, galima apibūdinti elektronų ir skylių grafeeno elgesį, dėl kurio buvo galima padaryti nuostabų MI Katsnelsono atradimą – paradoksą Kleiną grafte.

Tai atsiranda nagrinėjant problemą, susijusią su relativistinės dalelės įsiskverbimu per didelį potencialų barjerą. Parodyta, kad dalelytės, kertančios galimą barjerą aukštis, kuris yra didesnis nei dvigubai daugiau dalelių dalelių energijos, tikimybė yra 100% nepriklausomai nuo barjero aukščio. Iš tiesų, grafeno atveju buvo įrodyta, kad bet kokia galanti barjeras grafe yra skaidrus, kai jame yra įprastas elektronų ar skylių dažnis. Svarbi pasekmė yra tai, kad negalima lokalizuoti įkrovos nešiklių grafte, sudėtingumo kontroliuoti jo laidumą.Tačiau yra galimybė kontroliuoti grafeno laidumą, pakeičiant atominę geometriją, pavyzdžiui, pjaustant ar užsidarius svetimkūnius ant jo paviršiaus.

Be gražiausių elektroninių grafeno savybių, jis turi įspūdingas mechanines savybes. Stipriausia grafinė angliarūgšties jungtis tampa patvaria medžiaga, kurią bet kada gavo žmogus. Grafeno tempimo standumas (Young's modulis) gerokai viršija ankstesnio rekordo savininko – deimanto – standumą. Grafeno stiprumas yra toks, kad jo matuoklio lakštas, jei jis suvyniotas į vamzdelį, teoriškai gali išlaikyti keturių kilogramų katę. Tuo pačiu metu grafeno plėvelė yra lengva, vienas gramas gali užfiksuoti futbolo lauką!

Pav. 3 Grafeno elektroninių prietaisų įvedimo perspektyvų vertinimas ")"> Pav. 3 Grafeno grafikos "border = 0>" elektroninių prietaisų įvedimo perspektyvų įvertinimas Pav. 3 Grafeno elektroninių prietaisų įvedimo perspektyvų įvertinimas

Daugelis technologijų bendrovių susidomėjo nuostabia medžiaga. Visose institute pradėjo veikti skirtingos pasaulio šalys, užsiimančios tik grafeno tyrimais,ir nuo 2013 m. Europoje buvo įdiegta didelio masto "One-billion-euro" Graphene "Flagship" programa, skirta ištirti, kaip grafenas naudojamas įvairiose žmogaus veiklos srityse. Iš pradžių atrodė, kad grafenas sukels mokslo ir technologijų revoliuciją įvairiose srityse, nuo elektronikos iki kompozicinių medžiagų. Greitai paaiškėjo, kad tai nebūtų revoliucija, bet evoliucija, bet ir įspūdinga. Pav. 3 parodyta įvado (o ne vystymosi!) Grafikoje esančių įrenginių prognozė iš K. S. Novoselovo straipsnio. Jo nuomone, labiausiai tikėtinas taikymas yra jutiklinio ekrano, elektroninio popieriaus ar organinių šviesos diodų pagrindas. Tranzistoriai ir kiti loginiai įtaisai, kurių pagrindu jis yra, tikimasi tik per 10-20 metų. Tokia prognozė nėra labai patikima, tačiau jei tai įvyks, tai turės įtakos visoms puslaidininkių technologijoms.

Trūkumai ir kaip juos apeiti

Kodėl sunku naudoti grafeną? Įkrovos laikmenos joje turi daug didesnį greitį nei žinomose puslaidininkių medžiagose – silicio, deimantų ar galio arsenido. Tai reiškia, kad grafiniuose įrenginiuose turi būti rekordinės savybės.Tačiau semimetalinės grafeno savybės, taip pat Kleino paradoksas, apsunkina laidumo kontrolės problemą, todėl sunku ją tiesiogiai naudoti puslaidininkių elektronikoje. Buvo daugybė bandymų paversti grafeną į "įprastesnį" puslaidininkį, tačiau tai reikšmingai pablogino grafito perkėlimo savybes – sumažėjo apkrovų laikmenų mobilumas, dėl ko medžiaga buvo prarasta dėl svarbiausių privalumų.

Pavyzdžiui, originalus sprendimas buvo sumažinti siauresnius nanometrų pločio juostas iš grafeno. Dėl kvantinio sulaikymo efekto tokiuose juostose buvo stebimas puslaidininkių laidumas, tačiau juostos spragą (t. Y., Energijos, kurią elektronai negali turėti), pakanka naudoti tik graphene juostoms, kurių plotis mažesnis nei nanometras, ir šiuo atveju Krovinių laikikliai kraštinėse radikaliai mažina jų mobilumą.

Buvo bandoma gauti puslaidininkinę medžiagą iš grafeno, funkcionalizuojant jo paviršių, ant jo nusodinus užsienio atomus. Taigi, buvo gautas grafenas – hidrintas grafenas ir fluorografenas, atitinkamai fluorinti.Trečiųjų šalių atomų cheminė adsorbcija į grafenas sukelia anglies atomų hibridizacijos pasikeitimą su sp2 apie sp3 (tai yra, anglies iš plokščių geometrija paverčiama į tetraedrinę, kaip deimantą), o tai savo ruožtu daro įtaką elektroninėms medžiagos savybėms. Perkant sp2-hibridizuoto anglies atomo ketvirtojo kaimyno yra sunaikinta π-sistema, atsakinga už grafeno laidumą. Kalbant apie kietojo kūno fiziką, šį poveikį galima apibūdinti kaip semimetalinio grafeno cheminių jungčių transformaciją, susijusią su puslaidininkiu deimantu. Tai reiškia, kad toks dvimatis filmas su idealiomis struktūromis (kiekvienas anglies atomas yra susijęs su vandenilio arba fluoro atomu) gali būti vadinamas ploniausiu deimantu. Tačiau yra pagrindo tikėti, kad sintezės rezultatas yra suformuota sistema atsitiktinai įsikurs adsorbuotų atomų (4 pav.). Kadangi įvairūs būdai, kaip vandenilio arba fluoro dėjimas ant grafeno, turi artimą energiją, todėl sintezės procese yra artimi realizacijos tikimybės. Grafinis tranzistorius sukuria tam tikros pažangos.

Pav. 4 Grafinės struktūros isometrinis vaizdasgautas molekulinės dinamikos metodu; matoma medžiagos įvairovė, švarios grafeno sritys tarp hidrintų salelių "border = 0>Pav. 4 Grafeno struktūros isometrinė projekcija, gaunama molekulinės dinamikos metodu; matoma medžiagos nevienalytė, švarios grafeno sritys tarp hidrogenizuotų salų

Tačiau šios grafeno savybės dar nereiškia, kad jos neturi perspektyvų. Pvz., Ši medžiaga gali būti naudojama kaip ekstremalaus jautrumo jutiklis – jis gali aptikti atskiras molekules. Grapeeno aukštas laidumas leidžia jį naudoti kaip laidus dažus, kurie yra lengvai pritaikomi prie audinio, tuo pačiu išlaikant lankstumą, puikiai valdydami elektros energiją ir nematydami akis.

Didelio laidumo, skaidrumo (graphene absorbuoja tik 2% šviesos) ir lankstumo derinys tampa idealiu permatomu laidžiu elektrodu, kuris sukurs naujos kartos jutiklinius ekranus. (Dabar jie pagaminti iš indiuminio alavo oksido, o ši medžiaga yra trapi ir netinkama lankstiems monitoriams.) Tam reikės grafeno gamybos makroskopiniais kiekiais metodų ir dviejų gigantų, tokie metodai jau yra naudojami "Samsung" ir "Sony" (5 pav.).Pirmasis taip pat pranešė apie sėkmingą bandomąjį lankstų jutiklinį ekraną, paremtą graftenu, pavyzdžiu (5c pav.). Gautas grafeno lapas turi polikristalinę struktūrą – ji susideda iš atskirų grafeno fragmentų, sujungtų cheminėmis jungtimis, o "tarpkristalinės ribos" yra vienodos. Jo laidumas pasirodė priimtinas, o galbūt naujosios kartos telefonai turės grapso ekranus.

Grafenas ir kiti

Grafeno sunkumai, taip pat natūralus smalsumas, paskatino mokslininkus atkreipti dėmesį į kitas dvimatis medžiagas. Visų pirma boro nitridas, turintis tokį patį elektronų skaičių, yra izostruktūrinis anglies analogas (6 pav.). Ji turi deimantinio ir grafito fazes, o netgi karbido fazė – atominė grandinė, kurioje pakaitomis būna azoto ir boro atomų. Taip pat yra nitridų-boro nanovamzdelių, todėl nenuostabu, kad taip pat buvo sėkmingai gautas dvimatis BN plėvelė. Skirtingai nuo grafeno, boro nitridas yra dielektrikas, jį galima naudoti tik kaip izoliatorių.

Be to, tyrėjai pažvelgė į periferinių dichalcogenidų su cheminės sudėties MX2, kur M yra pereinamasis metalas (pvz., Mo, W, V ir kt.), o X yra chalcogenas (siera, selenas ar teluras). Tai didžiulė medžiagų šeima, dauguma iš jų yra sluoksniuoju faze, kurią galima suskirstyti į dvimatius sluoksnius. Tačiau, skirtingai nuo grafeno ir boro nitrido, atskiras pereinamojo metalo disulfidų sluoksnis yra dviejų cheminių medžiagų, kurios chemiškai susijusios su vidiniu metalo sluoksniu, sumuštinį (6c pav.).

Periferinių dichalcogenidai gali turėti ir metalines, ir puslaidininkines savybes, pavyzdžiui, remiantis MoS2 nanotransistorių prototipai, optoelektroninės atminties elementai ir įvairūs jutikliai. Tačiau jose esantys judriojo ryšio operatoriai yra gana vidutiniai. Taigi, teoriniai skaičiavimai rodo apie 400 cm2/ (V · s) (kambario temperatūroje), o eksperimente pavyko pasiekti dešimt kartų mažesnes vertes. Jis yra mažesnis nei silicio (100 cm2/ (V sek.)) Ir žymiai mažesnis nei grafeno (> 10 000 cm2/ (V sek.)). Tačiau šių struktūrų tyrimai yra toli gražu nebaigti. Labiausiai įdomios elektroninių ir magnetinių periferinių dichalcogenidų savybės dar nėra gerai suprantamos, tačiau galima teigti, kad šioms medžiagoms yra daug praktinių pritaikymų.

Praėjusių metų pradžioje buvo sėkmingai ieškoma dvimačio puslaidininkio medžiagos su geru nešiklio mobilumu. Beveik tuo pačiu metu dvi grupės iš Jungtinių Amerikos Valstijų ir Kinijos Liaudies Respublikos pranešė apie sėkmingą naujos 2D fosforo pagrindu pagamintos medžiagos gamybą (6d pav.). Pagal analogiją su grafenu jis buvo pavadintas fosforenu. Šios medžiagos krūvio judesys yra apie 300 cm2/ (V · s), bet didėjant sluoksnių skaičiui, jis padidėja iki 1000 cm2/ (V sek.), Kai plėvelės storis yra apie 10 nm (apie 20 atomų sluoksnių). Tai savaime yra įdomu, tačiau, skirtingai nei kiti perspektyvūs dvimačiai filmai, fosforas turi chemiškai aktyvų paviršių. Prie jo lengvai pritvirtintos išorinės aplinkos molekulės, o laidžios savybės labai skiriasi. Dvipusių struktūrų įvairovė rodo klausimą: ką duos jų deriniai? Pavyzdžiui, jei boro nitridą ir grafteną sumaišysite plokštumoje, galėsite gauti filmą, turinčią kintamąsias laidines ir neveikiančias sritis. Norint gauti tokią plėvelę, tarp esamų grafeno sričių, t. Y. Graftelinės plokštelių, esančių plokštumoje, šešiakampio boro nitrido buvo išauginta cheminiu nusodinimu iš garų. Pav.7 – atominė sąsaja tarp hBN ir grafeno. Panašią struktūrą galima gauti, kai jungiasi įvairūs dichalcogenidai pereinamųjų metalų, tačiau sąsaja šiuo atveju nebus atomiškai lygi, ji bus šiek tiek "išplauta" dėl kaimyninių dichalkogenidų difuzijos.

Pav. 7 Dvipusis hBN / grafenas / 2hBN / WS heterostrukcija2/ 2hBN / grafenas / hBN.
\ n a – modelis b – vaizdas perdavimo elektroniniame mikroskope, į hBN / grafeno / 3hBN / MoS heterostruktūros elektroluminescencija2/ 3hBN / graphene / hBN ') "> Pav. 7 Dvipusis hBN / grafenas / 2hBN / WS heterostrukcija2/ 2hBN / grafenas / hBN.
\ n a – modelis b – vaizdas perdavimo elektroniniame mikroskope, į hBN / grafeno / 3hBN / MoS heterostruktūros elektroluminescencija2/ 3hBN / grafenas / hBN "border = 0> Pav. 7 Dvipusis hBN / grafenas / 2hBN / WS heterostrukcija2/ 2hBN / grafenas / hBN.
a – modelis b – vaizdas perdavimo elektroniniame mikroskope, į hBN / grafeno / 3hBN / MoS heterostruktūros elektroluminescencija2/ 3hBN / grafenas / hBN

Įdomiau gauti heterostruktūras, pagrįstas dvimačiomis medžiagomis, padėdami 2D struktūras viena kitai. Ir nors 2010 m. K. S. Novoselovas savo Nobelio paskaitoje sakė, kad tai yra perspektyviausias būdas, rezultatai pasirodė tik praėjusiais metais: sunku gauti tokias medžiagas,už tai būtina atominiu tikslumu nustatyti dvipusius lakštus vienas kitam. Taigi Novoselovo grupė sugebėjo kurti grafeno medžiagą (vaidina elektrodą, kuriam tiekiama srovė), boro nitridą (vaidina tunelinio barjero vaidmenį) ir pereinamojo metalo dichalcogenidus (MoS2WS2), kurių bendras sluoksnių skaičius nuo 10 iki 40 (7 pav.). Tokia heterostruktūra išmeta šviesą iš viso paviršiaus, kai per jį praeina elektros srovė, tai yra labai plonas ir labai lankstus LED, o jo savybės priklauso nuo dviejų dimensijų sluoksnių išdėstymo tipo ir tvarkos.

Dvimačių medžiagų mokslas vystosi itin sparčiai. Kiekvieną dieną yra naujų leidinių su naujais rezultatais, ir, greičiausiai, paskelbimo metu šis straipsnis jau yra iš esmės pasenęs. Bet tegul ji nesutraukia skaitytojo, bet įkvepia: galų gale 2D medžiaga mokslas kyla tiesiai prieš akis, o tai leis naujus atradimus. "Flatland" studija tik prasideda – netrukus prietaisai, pagrįsti dvimačiais filmais, vyks kasdieniame gyvenime, o mokslas pradės studijuoti tai, kas dabar laikoma neįmanoma. Kaip ir neseniai su graphene.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: