Двумерные материалы имеют потенциальное применение в гибкой электронике, биосенсорах и очистке воды. В настоящее время сообщается, что способ производства воздухостойких 2D материалов в промышленном масштабе является ключевым шагом на пути к их выводу на рынок.
Современное материаловедение опирается на глубокое понимание дефектов - прерывания регулярного расположения атомов в кристаллических твердых телах. Хотя «дефекты» напоминают о недостатках и дефектах, они часто делают материал более полезным, чем он был бы в противном случае. Например, металлические примеси, такие как атомы хрома и железа в корунде (кристаллическая форма оксида алюминия), ответственны за цвета рубинов и сапфиров. Кроме того, добавление примесей в кремний открыло современную эру вычислительной техники и робототехники. Письмо на природе , Du et al. 1 сообщить о методе производства разнообразных технологически полезных двумерных материалов, которые содержат намеренно введенные примеси, решая проблему изготовления устройств следующего поколения.
Халькогениды переходных металлов (ТМК) представляют собой новые материалы, которые имеют большие перспективы для их включения в широкий спектр применений, от батарей и гибкой электроники до биосенсоров и систем очистки воды. Они состоят из переходного металла, такого как молибден или вольфрам, и халькогена (элемент в группе 16 периодической таблицы), такого как сера, селен или теллур. Свойства монослоев TMC сильно изменяются, если металлический элемент изменяется. В частности, эти структуры могут меняться от обычных металлов до полупроводников или даже сверхпроводников.
В последние несколько лет многие исследователи 2 - 4 сосредоточили свое внимание на создании ультратонкой электроники, обладающей превосходными свойствами по сравнению с существующими кремниевыми устройствами, путем объединения различных монослоев TMC в один объект, известный как гетероструктура, с использованием технологии, называемой химическое осаждение из паровой фазы. , Другие исследователи 5 создали функциональные устройства с использованием одной TMC, в которой разные области материала имеют разные свойства, такие как металлический или полупроводниковый. Однако, хотя эти методы хороши для изготовления прототипов устройств, они не достаточно практичны для реальных приложений.
Давней проблемой при включении монослоев ТМС в функциональное устройство было отсутствие монослоя ТМС с металлической фазой, который был бы стабилен в условиях окружающей среды в течение более месяца 6 . Du и его коллеги преодолели эту проблему и создали монослои TMC с металлической фазой, которые, как они показывают, могут существовать в таких условиях около года. Авторы достигли этого подвига, внедрив технологию, основанную на процессе, известном как допинг.
Допинг сформировал цифровую революцию - переход от аналоговой к цифровой электронике, который начался во второй половине двадцатого века. Процесс включает в себя изменение электропроводности полупроводников, таких как кремний, путем добавления примесей. Восемьдесят лет назад 7 , легирующие атомы бора и фосфора были добавлены к чистому кремнию для производства материалов, называемых кремнием p-типа и n-типа, соответственно; они образуют p − n-переходы, основу вычислений. Эта допинговая технология продолжает быть полезной и сегодня, она встречается в нашей бытовой электронике. Предполагается, что технология допинга Du и коллег для двумерных материалов окажет долгосрочное влияние на поле.
Авторы производили монослои ТМС в три этапа (рис. 1). Сначала они подготовили кристалл, который содержал два разных переходных металла (один из которых содержал примесные атомы для легирования TMC), элемент в группе 13 или 14 периодической таблицы и углерод. Во-вторых, они нагревали кристалл при высоких температурах (873–1,373 Кельвина) в течение 4 часов в среде, содержащей два газа. Одним из них был халькогенсодержащий газ, который поставлял атомы халькогена для TMC; другим газом был фосфор, который обеспечивал дополнительные примесные атомы для легирования TMC. В-третьих, авторы использовали процесс, называемый расслоением жидкости, чтобы преобразовать полученный кристалл TMC в монослои TMC в виде жидких чернил.
Du et al. эта трехступенчатая технология двойного легирования использовалась, например, для получения монослоев ТМС с металлической фазой дисульфида вольфрама, легированных как атомами иттрия, так и фосфора. Они также производили нелегированные монослои TMC, получая слоистые кристаллы, которые содержали один тип переходного металла, а не два, и удаляя источник газообразного фосфора. В общей сложности авторы сделали шесть легированных и семь нелегированных монослоев ТМС, демонстрируя замечательную универсальность их подхода к производству 2D материалов.
Одним из главных преимуществ метода Ду и его коллег является то, что конечные 2D-материалы представлены в виде жидких чернил. В этой области явно наблюдается сдвиг в сторону создания высококачественных однослойных чернил для коммерциализации 8 , 9 , а не пленок, полученных такими методами, как эпитаксиальный рост или химическое осаждение из паровой фазы. Такие пленки требуют процесса, известного как расслаивание, чтобы отделить их от растущих субстратов, что ухудшает качество материала и требует дальнейшей обработки 10 , 11 . В отличие от этого, однослойные чернила можно легко наносить на произвольные подложки с использованием таких технологий, как струйная печать или центрифугирование, и поэтому их легко интегрировать в трехмерные системы 12 , 13 .
С научной точки зрения двумерные материалы должны быть стабильными и пригодными для использования в ближайшем окружении. Выводы Du и его коллег являются многообещающими для этой области, поскольку они показывают, что присутствие небольшого количества (менее 1%) примесных атомов может стабилизировать монослои TMC. Этот результат предполагает, что исследователи материалов должны начать изучать использование химических элементов для стабилизации 2D материалов, которые в противном случае разлагались бы в условиях окружающей среды в течение нескольких часов, а не использование слоев герметизации, которые усложняют однослойные системы.
Следующими шагами для теоретиков будет предсказание подходящих «стабилизаторов примесей» для монослоев ТМС, а для экспериментаторов - изучение использования элементов, которые в изобилии присутствуют на Земле. Между тем, все еще должно быть возможно создать современные машины для точного и надежного двойного легирования ТМС, поскольку для стабилизации монослоев ТМС требуется только небольшое количество относительно редкого иттрия и фосфора. Работа Ду и его коллег демонстрирует, что независимо от того, какие новые материалы обнаружены, очень важно, чтобы мы понимали, манипулировали и использовали их дефекты на атомном уровне. Каждый атом имеет значение.
Понравилась статья?! Подпишись и поставь лайк, помоги развитию канала. Всем желаю удачи и успехов.