2D-material: En introduktion till tvådimensionella material

Material på nanoskala

Förståelsen av materialsystem är grunden för tekniken. Specifika materialegenskaper krävs beroende på tillämpningen. Exempelvis utnyttjas kopparens elektriska ledningsförmåga för att bygga kretsar, betongens tryckhållfasthet behövs för att skapa skyskrapor och vulkaniserat gummis hållbarhet och smidighet är viktigt för bildäck. Ju mer vi förstår om ett materials egenskaper, desto längre kan vi driva tekniken framåt.

När vi tänker på ett materials egenskaper tror vi ofta att de enbart baseras på vad materialet är gjort av. Metall leder elektricitet eftersom dess atomer hålls samman med metalliska bindningar – vilket gör att elektroner kan driva fritt genom materialet när ett elektriskt fält appliceras. Betong är stark eftersom den innehåller cement som låser samman okompressibla bitar av sand och grus på ett styvt sätt. Vulkaniserat gummi är böjligt, men ändå hållbart, eftersom det består av flexibla polymerkedjor som är fast sammankopplade med varandra.

Det finns dock något annat som kan påverka hur ett material beter sig: dess storlek. Detta gäller särskilt för vissa material när deras dimensioner reduceras till nanoskala (dvs. deras storlek kan rimligen uttryckas i nanometer – i allmänhet mindre än några hundra nanometer och ner till mindre än en nanometer). Elektrisk ledningsförmåga, kemisk reaktivitet, mekaniska egenskaper och till och med hur ett material interagerar med ljus kan alla förändras i nanoskala.

I takt med att vår förmåga att skapa och studera nanomaterial har utvecklats upptäcks fascinerande och oväntade nya egenskaper. Detta har öppnat helt nya vägar för framtida teknik som är beroende av storleken på ett material såväl som dess bulkegenskaper. Vi är verkligen på väg in i nanoteknikens tidsålder.

Vad är 2D-material?

Nanomaterial kan i stort sett klassificeras efter det totala antalet av deras nanoskopiska dimensioner:

• Om alla tre dimensioner av ett material är nanostora, skulle det kallas ett 0D-material (nolldimensionellt material), vanligen känt som en nanopartikel.
• Om två dimensioner av ett material är nanostorlek, med den andra dimensionen mycket större (ungefär som en bit sträng som krympts ner till en liten storlek), är detta ett 1D-material eller ”nanorör/nanotråd”.
• Om endast en dimension är nanostorlek skulle det vara ett 2D-material – som liknar ett stort, men mycket tunt ark (som ett papper).
• Till sist, om ett material inte har några dimensioner som är tillräckligt små för att betraktas som nanostorlek, så är det inte ett nanomaterial. Istället bör det benämnas som ett ”bulkmaterial”, och det är denna klass som vi har att göra med i vår vardag.

Tabellen nedan ger en förenklad förklaring.

.

Antal nanoskopiska dimensioner	Klassificering	Exempel
	Bulk	Allt du kan se med ögat
	2D (nanoblad)	Grafen
	1D (nanorör eller nanotråd)	Kolonnanorör
	0D (nanopartikel)	Quantum dot

Med 2D-material, är det ofta möjligt att minska materialets tjocklek ner till en enda atom. Detta är fallet för det mest kända 2D-materialet – grafen – och det är där de mest intressanta förändringarna i egenskaperna sker.

.

Kolnanorör från 150 pund

Exempel på 2D-material

Grafen var det första ”moderna” 2D-materialet som isolerades 2004 . Sedan dess har det funnits bokstavligen hundratals andra exempel , med ett omfattande utbud av egenskaper. Nedan följer flera som det forskas aktivt om.

Grafen och hexagonal bornitrid

Grafen är ett kovalent bundet hexagonalt gitter av kolatomer som bara är en atom tjock (ca 0,14 nm). Det är en halvmetall (dess konduktions- och valensband berör varandra). Grafens unika bandstruktur innebär att elektroner rör sig genom den med extremt hög hastighet (ca 1/300 av ljusets hastighet), vilket ger den fascinerande egenskaper – t.ex. oöverträffad värmeledningsförmåga.

Grafenpulver från £123

Optiskt genomskinligt, grafen absorberar endast 2 % av infallande synligt ljus och har den högsta draghållfastheten av alla material. Ett enda monolager av grafen, bara 0,3 nm tjockt, skulle kunna bära vikten av en fotboll. (Fotboll på ett monolager)

Hexagonal bornitrid (h-BN) är en isomorf av grafen (har samma kristallografiska utseende), men har bor- och kväveatomer i stället för kol. Till skillnad från grafen är det en isolator med brett bandgap.

Hexagonal bornitrid från 395 pund

Övergångsmetalldikalcogenider (TMDC)

Övergångsmetalldikalcogenider (vanligtvis kallade TMDC) har den kemiska formeln MX2, där M är en övergångsmetall (t.ex. molybden (Mo) eller volfram (W)) och X är en kalcogen (t.ex. svavel (S), selen (Se) eller tellur (Te)). TMDC i bulk är van der Waals-material där varje skikt är tre atomer tjockt och består av metallskiktet insprängt mellan två kalcogenidskikt.

TDMC:er kan ha olika kristallstrukturer. Den vanligaste är 2H-fasen med trigonal symmetri, vilket resulterar i halvledande egenskaper som MoS2, WS2 och MoSe2 har. Dessa halvledare har ett indirekt bandgap i bulk. För monolager blir bandgapet direkt och i det synliga spektrumet, vilket gör dem attraktiva för optoelektronik. Laddningsmobiliteter på ~100-1000 cm2V-1s-1 gör dem till ett populärt val för 2D-transistorer. En annan möjlig struktur är den metalliska 1T-fasen, som är den mest stabila polymorf av WTe2.

Vungsten ditellurid enkristaller från £396,60

Fosforen

Fosforen är ett enda lager av svart fosfor – en skiktad, stabil allotrope av elementär fosfor. Det är en halvledare med direkt bandgap med en veckad honungskaksstruktur. Bandgapet kan ställas in i hela det synliga området genom att stapla lager på varandra. Den har god laddningsrörlighet (~1000 cm2V-1s-1), vilket gör den lämplig för optoelektroniska anordningar och transistorer. Fosforens korrugerade struktur innebär att dess egenskaper kan variera avsevärt beroende på i vilken riktning materialet mäts längs.

Svarta fosforen-enkelkristaller från £396

Xenes

Monolager av kisel (silicene), germanium (germanene) och tenn (stanene), kallas kollektivt för Xenes (i enlighet med namngivningskonventionen för grafen). De har en hexagonal struktur som liknar grafen, men är bockade i varierande grad. Till skillnad från grafen kan de inte exfolieras från bulkmaterial utan måste odlas epitaxiellt på ett substrat och behåller i allmänhet en stark interaktion med detta substrat. Även om de fortfarande befinner sig i sin linda, sträcker sig de potentiella tillämpningarna från fälteffekttransistorer till topologiska isolatorer.

Nyligen har man också odlat 2D-analoger av antimon och vismut (antimogen respektive vismutin). Bismut visar potential för magneto-elektroniska tillämpningar .

Hur gör vi 2D-material?

Det är möjligt att ta vilket material som helst och tunna ut det (tills det har en tjocklek på bara några få atomer) för att skapa ett 2D-material. Många material (t.ex. diamanter) har dock kemiska bindningar som är orienterade i tre dimensioner, så för att tunna ut materialet måste man skära av dessa bindningar – och lämna dem ”dinglande”. Ett 2D-material som skapas på detta sätt kommer att ha en hög täthet av dinglande bindningar, som är kemiskt och energimässigt instabila och kan tvinga materialet att omorganisera sin struktur för att sänka sin ytenergi.

En annan allotrope av kol – grafit – har starka kemiska bindningar endast längs plan inom bulkmaterialet. Dessa plan är staplade ovanpå varandra och hålls samman av en svag van der Waals-interaktion, och kan därför separeras utan att lämna några hängande bindningar. När det gäller grafit kallas ett enda plan för grafen. De flesta av de 2D-material som studeras tillhör därför den bredare klassen av skiktade material (eller van der Waals-material).

Det finns två metoder för att tillverka 2D-material:

i) Uppifrån och ner (börja med ett bulkmaterial och gör det tunnare)

ii) Nedifrån och upp (börja med de atomära beståndsdelarna och sätt ihop dem)

Inom vart och ett av dessa tillvägagångssätt finns flera underkategorier, var och en med sina egna för- och nackdelar – förklarade nedan.

Top-down

• Mekanisk exfoliering – Vanligen känd som ”Scotch-tape-metoden”, användes den först för att skapa monolagergrafen. En bit klibbig tejp appliceras på ytan av ett skiktat material och dras sedan av, varvid flingor (som består av ett litet antal skikt) tas med. Tejpen kan sedan tryckas på ett substrat för att överföra flingorna för studier. Utbytet av monolager med denna process är lågt (de flingor som erhålls är mestadels flerskiktade), utan kontroll över storlek och form. Storleken på de flingor i monolager som kan framställas är dock rimlig (från några mikrometer upp till ~100 mikrometer) och kvaliteten på monolagerna är utmärkt – med mycket få defekter på grund av bristen på kemisk bearbetning som är inblandad.

  Det är också en lämplig teknik för alla van der Waals-material. Av dessa skäl förblir mekanisk exfoliering populär för laboratoriebaserade studier, men den är inte skalbar för integrering i ny teknik.

  

Indium (II)-selenid-monokristaller från 397 pund.10

• Vätskeexfoliering – En annan mekanisk metod, vätskeexfoliering, innebär att man använder ett organiskt lösningsmedel som medium för att överföra mekanisk kraft till skiktsmaterialet (ofta i form av ett pulver) som är upphängt i vätskan. Sonikation orsakar dragspänning på lagren och tvingar isär dem. För att förbättra utbytet av monolager finns det varianter – till exempel genom att införa reaktiva joner (mellan materialskikten som skapar vätebubblor) som pressar isär skikten, eller genom att snabbt blanda lösningen för att skapa ytterligare skjuvkrafter på skikten.

  Denna metod är mycket skalbar men har flera nackdelar. Utbytet av monolager är återigen generellt sett lågt och flingorna är ofta mindre än 100 nm stora (på grund av att de applicerade krafterna bryter isär dem). De resulterande flingorna kan också potentiellt ha en hög täthet av defekter och kvarvarande lösningsmedel när de avlägsnas från lösningen, vilket gör dem olämpliga för många optoelektroniska tillämpningar.

  

Molybdendisulfidpulver från £168.20

Bottom-up

• Kemisk förångningsdeposition – Denna process innebär att en eller flera prekursorgaser (som vanligtvis innehåller de atomära beståndsdelarna i den önskade filmen) leds genom en uppvärmd ugn, där de reagerar med varandra eller med ett substrat och bildar ett tunt lager av det önskade materialet. Denna process har framgångsrikt tillämpats för att odla grafen och TMDC. Flera parametrar (t.ex. gastryck och gassammansättning, temperatur och reaktionstid) måste kontrolleras eftersom de påverkar filmens tjocklek, kvalitet och sammansättning. Även om denna process är mer komplex och dyrare än de flesta top-down-tekniker är den mycket skalbar, och kvaliteten på de producerade filmerna närmar sig kvaliteten på mekaniskt exfolierade skikt.

• Lösningsbaserad kemisk syntes – Ett stort antal olika tekniker har utvecklats för att syntetisera 2D-material genom våtkemiska tekniker. Dessa inkluderar kemiska reaktioner vid hög temperatur i lösning, gränssnittsmedierad tillväxt (reaktioner sker endast vid ytan av en vätska), sammansmältning av nanopartiklar till större nanoplattor och många fler. Varje metod är särskilt väl lämpad för en viss typ av 2D-material, och allt från grafen och TMDCs till monolagermetaller kan syntetiseras med hjälp av lämplig teknik.

  Den laterala storleken på de flingor som produceras med dessa metoder är i allmänhet liten (<100-talet nm), och teknikerna har samma problem med kvarvarande lösningsmedel som flytande exfoliering. För vissa tillämpningar gör dock skalbarheten, den låga kostnaden och mångsidigheten hos dessa tekniker att kemisk syntes är den bästa metoden för storskalig produktion.

Varför skiljer sig 2D-material från bulkmaterial?

Det finns tre anledningar:

1. Förhindrande av van der Waals-interaktioner – Ett skiktat bulkmaterial består av många kovalent bundna plan som hålls samman av svaga van der Waals-interaktioner. När en kraft läggs på ett material kan dessa van der Waals-krafter lätt övervinnas och materialet går sönder – vilket gör att det verkar svagt. Omvänt är de kovalenta bindningar som håller ihop atomerna i lagren faktiskt mycket starka. Ett monolager har endast kovalenta bindningar. Genom att ta bort de ”svaga länkarna” från materialet verkar det bli mycket starkare. Grafen har till exempel en draghållfasthet som är 1000 gånger större än grafit, och medan en blyertspenna i grafit lätt kan brytas sönder är grafen över 100 gånger starkare än stål.

   

1. En ökning av förhållandet mellan yta och volym – Förhållandet mellan yta och volym hos ett material definierar hur mycket av det som exponeras för sin omgivning. Detta är viktigt för kemiska reaktioner – ju mer reaktant som är i kontakt med materialet, desto snabbare kan reaktionen ske, så 2D-material tenderar att vara mer reaktiva än sina motsvarigheter i bulk. Det gör också 2D-material mer känsliga för sin omgivning, en effekt som utnyttjas för sensorer baserade på 2D-material.

   

1. Elektronernas begränsning i ett plan – De elektroniska och optiska egenskaperna hos ett material beror på dess elektroniska bandstruktur. Denna beskriver hur elektroner rör sig genom materialet och är ett resultat av periodiciteten i dess kristallstruktur. När ett material går från bulk till 2D tas periodiciteten bort i riktningen vinkelrätt mot planet, vilket kan förändra bandstrukturen kraftigt. De modifierade bandstrukturerna är ansvariga för den extremt höga ledningsförmågan hos grafen och fluorescensen hos monolager MoS2.

   

   En annan effekt av dimensionsbegränsning är minskad dielektrisk avskärmning mellan elektroner och hål i halvledare. När det finns mindre material som skärmar av det elektriska fältet ökar Coulombinteraktionen och mer starkt bundna excitoner – vilket gör dem stabilare än excitoner som finns i bulkmaterial. Om excitonerna är instängda i ett plan som är tunnare än deras Bohr-radie (vilket är fallet för många 2D-halvledare), kommer kvantinstängningen att resultera i en ökning av deras energi jämfört med bulk-excitoner, vilket förändrar våglängden på det ljus de absorberar och emitterar.

   Din energi kan ställas in i viss mån genom att ändra antalet skikt i 2D-materialet (dvs. en tvåskiktsstruktur kommer att absorbera/emittera ljus med lägre energi än ett monolager). Detta kan dock också påverka bandstrukturen, vilket resulterar i förändringar av andra egenskaper också (t.ex. blir tvåskikts MoS2 icke-emissivt jämfört med ett monolager på grund av förändringar i den elektroniska bandstrukturen).

Användningar av 2D-material

Förändringen av egenskaperna, som orsakas av att 2D-materialen får en minskad dimensionalitet, innebär att de ofta lämpar sig väl för tillämpningar där bulkmaterialet skulle vara olämpligt. Nedan följer en lista över några av de mest lovande tillämpningarna.

• Transistorer och sensorer

Fälteffekttransistorer (FET) har tillverkats av en mängd olika halvledande 2D-material, t.ex. TMDC:er och svart fosfor . Deras goda laddningsrörlighet och måttliga bandgap gör dem till goda kandidater för denna tillämpning.

Hexagonal bornitrid används ofta som grinddielektrikum. Trots sin inneboende brist på bandgap har grafen också använts som den aktiva kanalen i transistorer genom att öppna upp ett bandgap med metoder som till exempel teknik för kanttillstånd, kemisk dopning eller applicering av elektriska fält.

En fördel med 2D-material jämfört med konventionellt kisel är deras inneboende flexibilitet. I kombination med lämpliga substrat kan 2D-material användas för att skapa flexibla kretsar . Även om det fortfarande finns vissa problem med storskalig produktion av högkvalitativa 2D-skikt som skulle krävas av elektronikindustrin, förblir transistorer en av de mest lovande tillämpningarna. FET-baserade sensorer har tillverkats av 2D-TDMC som kan detektera en rad kemikalier i miljondelar eller bättre, inklusive trietylamin , kväveoxid , ammoniak och kvävedioxid, genom att mäta konduktansförändringar när de utsätts för dessa kemikalier.

Platina FET-testchips, endast £149

• Fotodetektorer

Många TMDC:er (t.ex. MoS2, MoSe2, WS2 och WSe2) och svart fosfor har ett bandgap i det optiska eller närinfraröda området och goda egenskaper för laddningstransport. Ett enda monolager av TMDC (< 1 nm tjockt) kan absorbera upp till 10 % av det infallande synliga ljuset , vilket motsvarar ungefär 100 nm kisel. På grund av de tunna monolagens tunnhet är denna absorption inte tillräcklig för att ge hög effektivitet i solceller. De kan dock tillverkas till högeffektiva fotodetektorer. En anordning tillverkad av ett mekaniskt exfolierat MoS2-monolager uppnådde en känslighet på ~103 A/W över spektralområdet 400nm-680nm , medan en kombination av MoS2 med grafen i en heterostruktur uppnådde en känslighet på 108 .

• Batterielektroder

Elektroder för jonbatterier och superkondensatorer kräver elektriskt ledande material med stor yta för att kunna lagra höga jondensiteter. Grafen har fått viss uppmärksamhet som en möjlig efterträdare till grafitelektroder på grund av dess högre yt-/masseförhållande, högre ledningsförmåga, större mekanisk styrka och flexibilitet, vilket skulle kunna leda till starkare, lättare batterier med högre effekttäthet och snabbare laddningstider. 2D MoS2 har också fått mycket uppmärksamhet som en möjlig elektrod. Även om den är halvledande i sin mest stabila 2H-kristallstruktur kan den framställas på ett sådant sätt (vanligtvis genom kemisk exfoliering) att den antar en metallisk 1T-fas. Elektroder som bildats av staplade 1T-monolager har visat högre effekt- och energitäthet än grafenbaserade elektroder .

• Topologiska isolatorer

Topologiska isolatorer (TIs) är material som beter sig som isolatorer, med undantag för vid deras kanter där de kan leda elektroner med hög effektivitet. Elektroner med motsatt spinn rör sig runt kanterna i motsatt riktning. TIs kan få praktiska tillämpningar i elektroniska och spintroniska apparater med låg effekt (där elektronernas spinn används för att koda information eller förbättra apparaternas prestanda). Xenerna (särskilt bismuthen och stanin) förväntas fungera som TIs . TMDC WTe2 kan växlas mellan topologisk isolator och supraledare med ett elektriskt fält.

• Valleytronics

Valleytronics utnyttjar en egenskap hos laddningsbärare i vissa TDMCs (t.ex. MoS2, WS2) som kallas ”dalpolarisering”. Denna egenskap är kopplad till elektronens och hålets spinn och vinkelmoment. Polariserad optisk excitering gör det möjligt att selektivt excitera en viss dal och därmed laddningsbärare med ett visst spinn. Denna ytterligare frihetsgrad ger möjlighet att skapa nya optoelektroniska anordningar för databehandling och lagring av data. Valleytronics behandlas mer ingående här:

1. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, KS. Novoselov et al., Science, 306, 666-669 (2004)
2. Two-dimensional materials from high-throughput computational exfoliation of experimentally known compounds, N. Mounet et al., Nature Nanotechnology, 13, 246-252 (2018)
3. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene, C. Lee et al, Science, 321, 385-388 (2008)
4. Epitaxial Growth and Air-Stability of Monolayer Antimonene on PdTe2, X. Wu et al., Advanced Materials, 29, 1605407 (2017)
5. Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high-temperature quantum spin Hall material, F. Reis et al., Science, 357, 287-290 (2017)
6. Feature-rich magneto-electronic properties of bismuthene, SC. Chen et al., New J. Phys., 20, 062001 (2018)
7. Enskikts MoS2-transistorer, B. Radisavljevic et al, Nature Nanotechnology, 6, 147-150 (2011)
8. Black phosphorus field-effect transistorer, L. Li et al, Nature Nanotechnology, 9, 372-377 (2014)
9. Flexible Black Phosphorus Ambipolar Transistors, Circuits and AM Demodulator, W. Zhu et al, Nano Lett. 15, 1883-1890 (2015)
10. Chemical Vapor Sensing with Monolayer MoS2, F. Perkins et al., Nano Lett, 13, 668-673 (2013)
11. Fabrication of Single- and Multilayer MoS2 Film-Based Field-Effect Transistors for Sensing NO at Room Temperature, H. Li et al., Small, 8, 63-67 (2012)
12. Sensing Behavior of Atomically Thin-Layered MoS2 Transistors, D. Late et al, ACS Nano, 7, 4879-4891(2013)
13. Extraordinär absorption av solljus och en nanometer tjocka solceller med hjälp av tvådimensionella monolagsmaterial, M. Bernardi et al., Nano Lett. 13, 3664-3670 (2013)
14. Ultrakänsliga fotodetektorer baserade på monolagsmaterial MoS2, O. Lopez-Sanchez et al, Nature Nanotechnology, 8, 497-501 (2013)
15. Ultrahigh-Gain Photodetectors Based on Atomically Thin Graphene-MoS2 Heterostructures, W. Zhang et al., Scientific Reports, 4, 3826 (2014)
16. Liquid-Mediated Dense Integration of Graphene Materials for Compact Capacitive Energy Storage, X. Yang et al, Science, 341, 534-537 (2013)
17. Towards ultrahigh volumetric capacitance: graphene derived highly dense but porous carbons for supercapacitors, Y. Tao et al., Scientific Reports, 3, 2975 (2013)
18. An Advanced Lithium-Ion Battery Based on a Graphene Anode and a Lithium Iron Phosphate Cathode, J. Hassoun et al, Nano Lett. 14, 4901-4906 (2014)
19. Metallic 1T phase MoS2 nanosheets as supercapacitor electrode materials, M. Acerce et al., Nature Nanotechnology, 10, 313-318 (2015)
20. Buckled two-dimensional Xene sheets, A. Molle et al, Nature Materials,16, 163-169 (2017)
21. Gate-induced superconductivity in a monolayer topological insulator, E. Sajadi et al., Science, 362, 922-925 (2018)
22. Electrically tunable low-density superconductivity in a monolayer topological insulator, V. Fatemi et al., Science, 362, 926-929 (2018)

Liquid error: Det är inte möjligt att hitta resursen snippets/crosslinks-2d-materials.liquidLiquid error: ”Det är inte möjligt att hitta resursen snippets/crosslinks-2d-materials.liquidLiquid error: Det gick inte att hitta tillgångsutdrag/korslänkar-2d-materials.liquid