Одна классификация наноматериалов основана на количестве измерений материала, которые находятся за пределами наноразмерного (<100 нм) диапазона.
Соответственно, в нульмерных (0D) наноматериалах все размеры измеряются в наноразмерном диапазоне (ни один размер не превышает 100 нм). Чаще всего 0D наноматериалы представляют собой наночастицы.
В одномерных наноматериалах (1D) одно измерение находится за пределами наноразмера. Этот класс включает нанотрубки, наностержни и нанопроволоки.
В двумерных наноматериалах (2D) два измерения находятся за пределами наноразмера, а одно измерение имеет толщину только одного или нескольких атомных слоев. Этот класс обладает пластинчатыми формами и включает графен и другие однослойные материалы, такие как МХenes , черный фосфористый фосфор) и двухатомный гексагональный нитрид бора.
Трехмерные наноматериалы (3D) - это материалы, которые не ограничены наноразмерами ни в одном измерении. Этот класс может содержать объемные порошки, дисперсии наночастиц, пучки нанопроволок и нанотрубок, а также мультинанослои.
Что делает 2D материалы такими интересными для исследователей, так это их выдающиеся физические и химические свойства в отличие от их объемных аналогов.
Вдохновленные уникальными оптическими и электронными свойствами графена, 2D слоистые материалы - а также их гибриды - интенсивно исследовались в последние годы благодаря их потенциальному применению в основном для наноэлектроники.
Широкий спектр атомно-слоистых кристаллов включает дихалькогениды переходных металлов (TMD), полупроводниковые дихалькогениды, одноатомные изогнутые кристаллы, такие как черный фосфор (BP или фосфорин) и двухатомный гексагональный нитрид бора (h-BN).
Этот класс материалов может быть получен путем расслаивания сыпучих материалов в небольших масштабах или путем эпитаксиального роста и химического осаждения из паровой фазы (CVD) для больших площадей.
Такие атомарно тонкие, однослойные или малослойные кристаллы характеризуются сильной внутрислойной ковалентной связью и слабой межслойной ван-дер-ваальсовой связью, что приводит к превосходным электрическим, оптическим и механическим свойствам.
Со времени первой демонстрации графена в 2004 году научное сообщество обнаружило более 2500 других слоистых, атомно тонких (двумерных, 2D) материалов.
Хотя эти материалы охватывают удивительный диапазон электрических, химических, оптических и механических свойств, возможно, самое поразительное открытие заключается в том, что эти кристаллы можно свободно комбинировать для создания совершенно новых материалов.
Они обнаружили, что, когда два атомно-тонких графеноподобных материала помещают друг на друга, их свойства изменяются, и появляется материал с новыми гибридными свойствами, прокладывая путь для разработки новых материалов и нано-устройств. Свойства этого гибридного материала можно точно контролировать путем скручивания двух уложенных друг на друга атомных слоев, открывая путь для использования этой уникальной степени свободы для наноразмерного контроля композитных материалов и наноустройств в будущих технологиях.
В то время как сильные ковалентные связи обеспечивают плоскостную стабильность 2D кристаллов, эти материалы называются гетероструктурами Ван-дер-Ваальса, потому что атомно-тонкие слои не смешиваются посредством химической реакции, а скорее связаны друг с другом посредством слабого так называемого взаимодействия Ван-дер-Ваальса - подобно тому, как липкая лента прикрепляется к плоской поверхности.
Поскольку все атомы и молекулы притягивают друг друга с помощью вездесущих сил Ван-дер-Ваальса (vdW), практически нет ограничений на то, как все эти новые сверхтонкие материалы могут быть собраны в стопки - точно так же, как блоки Lego.
Построение гетероструктур vdW.
Если рассматривать двумерные кристаллы как блоки Lego (правая панель), становится возможным создание огромного разнообразия слоистых структур. Концептуально, этот LEGO атомного масштаба напоминает молекулярно-лучевую эпитаксию, но использует различные правила «конструирования» и отдельный набор материалов.
Благодаря своим уникальным межслойным связям и оптоэлектронным свойствам, эти материалы представляют значительный интерес для наноэлектроники следующего поколения, поскольку они позволяют создавать высокопроизводительные структуры, предназначенные для конкретной цели.
Гетероструктуры Ван-дер-Ваальса открывают огромный потенциал для создания многочисленных метаматериалов и новых устройств, объединяя любое количество атомно тонких слоев. Сотни комбинаций становятся возможными, иначе недоступными в традиционных трехмерных материалах, потенциально открывая доступ к новым неисследованным функциям оптоэлектронного устройства или необычным свойствам материала.
Помимо контакта между различными двумерными атомными слоями, пассивированные поверхности без висячих связей двумерных кристаллов могут связываться вместе с другими размерными материалами посредством силы vdW. Следовательно, изготовление смешанных размерных гетероструктур vdW может осуществляться путем гибридизации 2D кристаллов, особенно графена, с 0D квантовыми точками или наночастицами, 1D наноструктурами, такими как нанопроволоки или углеродные нанотрубки, или объемными 3D материалами.
фальсификация
Эти гетероструктуры полностью изготовлены вручную, и процедуры изготовления представили несколько недостатков, таких как трудность выравнивания кристаллических решеток (с атомной точностью) различных смежных материалов или во избежание захвата окружающих адсорбатов между слоями, что ухудшает их производительность и воспроизводимость.
Однако в 2017 году исследователи обнаружили, что франкеит, минерал, принадлежащий к семейству сульфосолей, демонстрирует естественную кристаллическую структуру, похожую на искусственные гетероструктуры Ван-дер-Ваальса, с огромным преимуществом почти идеального выравнивания между кристаллическими решетками и отсутствием постучал остатки между слоями.
Обычные 2D гетероструктуры обычно состоят из двух слоев противоположного типа носителей заряда с использованием неорганических материалов. Одной из проблем при создании 2D-гетероструктур является кропотливое наложение отдельных компонентов друг на друга.
Любое промышленное приложение, очевидно, потребует масштабируемого подхода к сборке vdW. С этой целью были предприняты значительные усилия для эпитаксиального выращивания графена, 2D hBN и 2D MoS 2 друг над другом. Однако найти правильные условия для так называемой эпитаксии vdW - непростая задача, поскольку слабое межслоевое взаимодействие обычно способствует росту островков, а не непрерывных монослоев.
Другим масштабируемым подходом является послойное осаждение из 2D-кристаллических суспензий с использованием метода Ленгмюра-Блоджетт или аналогичных методов. Можно также смешивать суспензии разных 2D кристаллов, а затем делать послойные ламинаты, полагаясь на самоорганизацию сборки (флоккуляция).
К сожалению, кристаллиты микрометрового размера в суспензиях не могут обеспечить большие непрерывные слои, и это ограничит возможные применения таких ламинатов vdW. В настоящее время они рассматриваются для использования в качестве конструктора ультратонких диэлектриков, избирательно проницаемых мембран и композитных материалов.
До сих пор наиболее реальным подходом к промышленному производству гетероструктур vdW, по-видимому, является выращивание отдельных моно- и нескольких слоев на каталитических подложках, а затем выделение и перенос этих 2D-листов друг на друга. Этот маршрут уже доказал свою масштабируемость. Если конкретная гетероструктура привлекает достаточный интерес с точки зрения приложений, кажется неизбежным, что ее производство может быть расширено с помощью различных доступных подходов.
