Это материалы, которые имеют макроразмеры только в двух направлениях — длину и ширину. А третье — толщина — соответствует размерам атома.
В зависимости от химического состава, двумерные материалы могут быть проводниками, полупроводниками, сверхпроводниками или изоляторами.
Исторически первым 2-D материалом, который был получен в лаборатории, стал графен — однослойный графит толщиной в атом. Он имеет правильную гексагональную структуру кристаллической решетки, в узлах которой располагаются атомы углерода.
Хотя теоретически его возможное существование было предсказано еще в шестидесятых годах прошлого века, практически получить его удалось только в 2004 году. За это в 2010 году физики Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию.
Первоначально чешуйки графена были получены путем механического отрывания от образца графита с помощью липкой ленты.
Последующие многочисленные исследования научными коллективами со всего мира выявили у графена ряд свойств, которые отсутствуют у трехмерных материалов. Его структура обладает аномально высокой подвижностью электронов, теплопроводностью и механической прочностью.
Графен в качестве защитного покрытия
Графен уже находит применение в различных приложениях. Например, поверхностная прочность и износостойкость графена позволила исследователям из Кембриджа разработать защитное покрытие жестких дисков в несколько раз более тонкое, чем используемое в настоящее время.
Они заменили стандартное покрытие на слой графена и проверили его на трение, износ, коррозию, термическую стабильность и совместимость со смазочными материалами. Оказалось, что помимо малой толщины слоя, графеновое покрытие обладает всеми свойствами, необходимыми для жесткого диска.
Графен обеспечивает двукратное снижение трения между головкой и диском, и обеспечивает лучшую коррозионную стойкость и износостойкость, чем современные решения. Фактически, один слой графена уменьшает коррозию магнитного покрытия диска в 2,5 раза.
Снижение толщины защитного покрытия позволяет приблизить считывающую головку к поверхности диска, на котором записывается информация, а это в свою очередь позволяет повысить плотность записи данных. Скачок плотности записи жестких дисков в десять раз и значительное снижение скорости износа несущего покрытия имеют решающее значение для разработки носителей информации нового поколения.
Помимо защитного элемента в технических приложениях графен также нашел применение в качестве защиты произведений искусства. Во Флоренции инженеры разработали графеновую вуаль в качестве защитного покрытия для картин. Она представляет собой гибкую прозрачную пленку, полученную методом химического осаждения из паровой фазы. Толщина вуали соответствует размеру атома, а в длину и ширину может быть изготовлена необходимых размеров.
Результаты лабораторных измерений показали, что эта мембрана непроницаема для влаги, окислителей и других вредных загрязняющих веществ, а также может поглощать большое количество вредного ультрафиолетового излучения. Наконец, в отличие от других защитных средств, эти графеновые покрытия относительно легко удаляются без повреждения поверхности произведений искусства.
Графен в электронике
Поскольку у графена нулевая ширина запрещенной зоны, его нельзя непосредственно использовать для производства полупроводников, в частности транзисторов. В настоящее время при производстве микроэлектроники однослойный графен применяется в качестве теплопроводящего материала для отвода тепла энергетически нагруженных электронных компонентов.
Также он постепенно внедряется в качестве рабочего элемента различных датчиков для обнаружения химических веществ.
Совместная группа исследователей под руководством представителей Кельнского университета изготовили датчик для регистрации различных атомов или молекул. Туннельный ток через гетероструктуру графеновых элементов особенно чувствителен к адсорбатам, которые накапливаются на поверхностях. То есть сила измеряемого тока находится в прямой зависимости от количества осевших на поверхности датчика атомов или молекул.
«Прототип датчика, который мы построили, обладает превосходными свойствами. Среди прочего, он очень чувствителен и может быть использован для измерения даже самых маленьких количеств адсорбатов», — сказал профессор Александр Грюнейс.
Другие 2-D материалы и композиты
После получения графена, ученые начали исследовать другие вещества на предмет синтеза из них двумерных материалов. Так были получены монослойный нитрид бора, который ведет себя как изолятор, а также сульфиды и селениды вольфрама и молибдена. Эти материалы уже имеют некоторую ширину запрещенной зоны и являются полупроводниками.
Однако особенности двумерных материалов расширяются, если комбинировать или накладывать слои друг на друга. Так исследователи Австралийского национального университета (ANU) научились управлять способностью 2D-материалов преобразовывать солнечный свет в электричество при повороте двух слоев друг относительно друга вокруг перпендикулярной оси.
В двух разных 2D-материалах под действием солнечной энергии положительные и отрицательные заряды разделяются и движутся в разных направлениях. При этом создается разность потенциалов, т. е. они выступают в роли источников электроэнергии.
«Мы смотрим на 2D-материалы, которые имеют всего два слоя толщиной в атом, сложенные вместе. Эта уникальная структура и большая площадь поверхности делают их эффективными при передаче и преобразовании энергии», — сказал профессор Майк Тебетекерва.
Проблема сводится к тому, чтобы тщательно выбрать подходящую пару слоев и сложить их определенным образом.
Также в 2018 году сообщалось о том, что два слоя графена, совмещенные друг с другом под углом 1 градус, проявляют свойства высокотемпературной сверхпроводимости. Этот факт говорит о том, что путем точной настройки взаимного положения двумерных материалов можно регулировать их характеристики и получать совершенно неожиданные результаты.
Производство 2-D материалов
Однако немаловажным для практического применения и внедрения двумерных материалов является способ и эффективность их производства. А поскольку свойства монослойных структур сильно зависят от качества и чистоты их кристаллической решетки, процесс производства необходимо оснащать системами контроля.
Как уже было сказано выше, первым способом получения 2D-материала, который до сих пор применяется в лабораторных условиях, был способ механического отделения слоя графена от графитового образца с помощью липкой пленки и последующий перенос его на кремниевую пластину.
В настоящее время, помимо механического, разработаны еще несколько методов производства двумерных материалов. К ним относятся метод плазмохимического осаждения из паровой фазы (PECVD) и выращивание структур при высоком давлении и температуре (HPHT).
Для производства электронных компонентов и токопроводящих дорожек в микроэлектронике ученые лаборатории университета Райса разработали лазерный метод получения графеновой пленки. Лазерный луч формирует тонкие узоры графена в фоторезистивных полимерах и светочувствительных материалах, используемых в фотолитографии и фотогравировании.
На сегодняшний день с помощью промышленного лазера, можно сформировать графеновые узоры на поверхности дерева, бумаги и даже продуктов питания.
«Прорывом стал тщательный контроль параметров процесса. Небольшие линии фоторезиста поглощают лазерный свет в зависимости от их геометрии и толщины, поэтому оптимизация мощности лазера и других параметров позволила нам получить хорошее преобразование при очень высоком разрешении», — сказал аспирант университета Райса и ведущий автор статьи Джейкоб Бекхэм.
Можно получать графеновые листы с хорошими характеристиками, используя сканирующий микроскоп. Он позволяет контролировать рост пленок и совместно с катализаторами ускоряет процесс синтеза.
«Графен будет широко использоваться, если с ним можно будет умело обращаться и легко интегрировать с другими материалами. Для этого нужны способы наблюдения графена и точного размещения его в приборах», — сказал профессор Рави Сильва, директор ATI и руководитель Центра наноэлектроники в университете Суррея.
Возможность видеть и контролировать производство графена в режиме реального времени является еще одним существенным шагом на пути к массовому производству этого материала для электронных устройств.
Несмотря на то что двумерные материалы изучаются уже практически более пятнадцати лет, эта область исследований остается все еще молодой. Постоянно появляется большое количество новых данных, которые требуют новых способов объяснения и новых теоретических исследований.
К тому же внедрение двумерных материалов требует разработки технологий их производства, которые зачастую мало соотносятся с технологиями производства тех материалов, которые в настоящее время широко используются. Но это часть проблемы, по мнению ученых, для таких материалов необходимо найти свои области применения, где будут полностью востребованы их свойства.