Двухмерно-организованные материалы

Двумерные (2D) материалы - это кристаллические материалы, состоящие из одного слоя атомов. Нанолист - это двумерная наноструктура с толщиной в диапазоне от 1 до 100 нм. Самый известный среди 2D-материалов --  графен, нанолист которого является самым тонким двумерным материалом (0,34 нм) в мире (рис. 1). Он состоит из одного слоя атомов углерода в гексагональной упаковке [Laura J. Cote, Franklin Kim, Jiaxing Huang Langmuir-Blodgett Assembly of Graphite Oxide Single Layers, J. AM. CHEM. SOC. 9 VOL. 131, NO. 3, 2009 1049].

 

Рис.1: Изображения АСМ, показывающие (а) монослой плотноупакованного оксида графита и (б) два соприкасающихся листа GO с загнутыми краями на кремниевой пластине.

 

Существует значительное количество перспективных (более 50-ти) 2-D материалов с различными структурой и свойствами. Например, дихалькогениды переходных металлов (TMDC) имеют химическую формулу MX2, где M - переходный металл (например, молибден (Mo) или вольфрам (W)), а X - халькоген (например, сера (S), селен (Se ) или теллур (Te)). Каждый слой имеет толщину в три атома и состоит из слоя атомов металла, зажатого между двумя слоями атомов халькогена. Наиболее популярные материалы TMDC - MoS2, WS2, MoSe2. Для монослоев запрещенная зона является прямой в видимой области спектра, что делает их привлекательными для оптоэлектроники. Подвижность заряда ~ 100-1000 см2В-1с-1 также делает их популярным выбором для 2D-транзисторов.

 

Металлы также могут формировать наноразмерные слоистые струкруры, например, нанолистики серебра (рис. 2). Процесс слияния (sintering) приводит к формированию прозрачной пленки с металлической проводимостью.

Было разработано огромное количество методов для синтеза 2D-материалов с помощью реакций в растворе. К ним относятся высокотемпературные химические реакции в растворе, рост на границе раздела фаз (реакции происходят только на поверхности жидкости), слияние наночастиц в более крупные нанолисты и многое другое. Каждый метод особенно хорошо подходит для определенного типа 2D-материала, и все, от графена и TMDC до монослоев металлов, можно синтезировать с использованием соответствующей техники.

Основная проблема при работе с 2-D материалами – упаковка «нанолистов» в сплошной монослой с последующим переносом их с субфазы на твердую поверхность без разрывов и деформаций. Наше оборудование позволяет это делать на больших площадях, на данный момент на площади до 0.3 м2, но возможно и на большей площади по требованию заказчика.

Кроме того, один монослой TMDC (толщиной <1 нм) может поглощать до 10% падающего видимого света, что эквивалентно примерно 100 нм кремния. Осаждение R2R в установке для нанесения покрытий GT-lab позволяет формировать мультислои из 2-D материалов, что может быть использовано, например, в фотовольтаике, батареях и суперконденсаторах. Формирование проводящих прозрачных покрытий с помощью нашего оборудования – реальность сегодняшнего дня.