Jednovrstvé materiály - Single-layer materials

Ve vědě o materiálech se termín jednovrstvý materiál nebo 2D materiál týká krystalických pevných látek sestávajících z jedné vrstvy atomů. Tyto materiály jsou slibné pro některé aplikace, ale zůstávají předmětem výzkumu. Jednovrstvé materiály odvozené od jednotlivých prvků mají obecně v názvech příponu -ene, např. Grafen . Jednovrstvé materiály, které jsou sloučeninami dvou nebo více prvků, mají příponu -ane nebo -ide. 2D materiály lze obecně kategorizovat buď jako 2D alotropy různých prvků nebo jako sloučeniny (skládající se ze dvou nebo více kovalentně vázajících prvků).

Předpokládá se, že existují stovky stabilních jednovrstvých materiálů.

Jednoprvkové materiály

C: grafen a grafy

Grafen
Hlavní článek: Graphene
Další informace o grafenu : Potenciální aplikace grafenu
Grafen je voštinová mřížka atomů uhlíku v atomovém měřítku .

Grafenu je krystalický allotrope z uhlíku ve formě téměř transparentní (viditelné světlo) jeden atom tlustého plechu. Je stokrát hmotnější než většina ocelí . Má nejvyšší známou tepelnou a elektrickou vodivost a zobrazuje proudovou hustotu 1 000 000krát vyšší než měď . Poprvé byl vyroben v roce 2004.

Andre Geim a Konstantin Novoselov získali v roce 2010 Nobelovu cenu za fyziku „za průkopnické experimenty týkající se dvojrozměrného materiálu grafenu“. Nejprve ho vyrobili zvednutím grafenových vloček z objemového grafitu lepicí páskou a poté je přenesli na křemíkovou destičku.

Graphyne

Graphyne je další 2-dimenzionální uhlíkový allotrope, jehož struktura je podobná grafenu. Lze to vidět jako mřížku benzenových kruhů spojených acetylenovými vazbami. V závislosti na obsahu acetylenových skupin lze grafiku považovat za smíšenou hybridizaci, sp n , kde 1 <n <2, a versus grafen (čistý sp 2 ) a diamant (čistý sp 3 ).

Výpočty prvního principu využívající křivky disperze fononů a ab-initio konečnou teplotu, simulace kvantové mechanické molekulární dynamiky ukázaly, že grafy a její analogy nitridu boru jsou stabilní.

Existence grafiky se předpokládala před rokem 1960. Dosud nebyla syntetizována. Avšak grafdiyn (grafy s diacetylenovými skupinami) byl syntetizován na měděných substrátech. V poslední době se tvrdí, že je konkurentem pro grafen kvůli potenciálu směrově závislých Diracových kuželů.

B: borofen

A B
36shluk lze považovat za nejmenší borofen; čelní a boční pohled

Borofen je krystalická atomová monovrstva boru a je také známý jako borová vrstva . Nejprve teoreticky předpovězeno v polovině 90. let ve volně stojícím stavu a poté prokázáno jako odlišné monoatomové vrstvy na substrátech Zhangem a kol., V roce 2015 byly experimentálně potvrzeny různé borofenové struktury.

Ge: germanene

Germanene je dvourozměrný allotrope germania se vzpěrnou voštinovou strukturou. Experimentálně syntetizovaný germanen vykazuje strukturu voštin . Tato voštinová struktura se skládá ze dvou hexagonálních dílčích mřížek, které jsou od sebe vertikálně posunuty o 0,2 A.

Si: silicen

STM snímek první ( 4 × 4 ) a druhé vrstvy ( √ 3 × √ 3 - β ) silicenu pěstovaný na tenkém stříbrném filmu. Velikost obrázku 16 × 16 nm.

Silicen je dvourozměrný alotop křemíku se šestihrannou voštinovou strukturou podobnou struktuře grafenu.

Sn: stanene

Hlavní článek: Stanene
Mřížkový obraz stanenových vloček se střední vložkou zobrazující velkoplošný elektronový mikrofotografie vzorku. Pravá vložka je elektronový difrakční obrazec potvrzující hexagonální strukturu.

Stanene je předpovězený topologický izolátor, který může na svých okrajích poblíž pokojové teploty zobrazovat proudy bez rozptylu . Skládá se z atomů cínu uspořádaných do jedné vrstvy podobným způsobem jako grafen. Jeho podlomená struktura vede k vysoké reaktivitě proti běžnému znečištění ovzduší, jako jsou NOx a COx, a dokáže je zachytit a disociovat při nízké teplotě. V poslední době se stanovování struktury stanenu provádí pomocí nízkoenergetické elektronové difrakce a ukazuje velmi zajímavý výsledek ultra plochého stanenu na povrchu Cu (111).

Pb: plumbene

Plumbene je dvourozměrný alotop olova s hexagonální voštinovou strukturou podobnou struktuře grafenu.

P: fosforen

Fosforenová struktura: (a) nakloněný pohled, (b) boční pohled, (c) pohled shora. Červené (modré) kuličky představují atomy fosforu ve spodní (horní) vrstvě.

Phosphorene je 2-rozměrný, krystalický allotrope z fosforu . Díky své monoatomové hexagonální struktuře je koncepčně podobný grafenu. Fosforen má však podstatně odlišné elektronické vlastnosti; zejména má nenulovou pásmovou mezeru při zobrazení vysoké mobility elektronů. Tato vlastnost z něj potenciálně dělá lepší polovodič než grafen. Syntéza fosforenu spočívá hlavně v metodách mikromechanického štěpení nebo exfoliace v kapalné fázi. První z nich má nízký výtěžek, zatímco druhé produkují volně stojící nanosheety v rozpouštědle a ne na pevném nosiči. Přístupy zdola nahoru, jako je chemická depozice z plynné fáze (CVD), jsou stále prázdné kvůli své vysoké reaktivitě. Proto v současném scénáři nejúčinnější metoda pro velkoplošnou výrobu tenkých vrstev fosforu spočívá v technikách mokré montáže, jako je Langmuir-Blodgett, zahrnující montáž následovanou nanesením nanoset na pevné nosiče

Sb: antimonen

Antimonen je dvourozměrný alotrop antimonu , jehož atomy jsou uspořádány ve vzpěrné voštinové mřížce. Teoretické výpočty předpovídaly, že antimonen bude v podmínkách prostředí stabilní polovodič s vhodným výkonem pro (opto) elektroniku. Antimonen byl poprvé izolován v roce 2016 mikromechanickou exfoliaci a bylo zjištěno, že je za podmínek prostředí velmi stabilní. Díky svým vlastnostem je také dobrým kandidátem pro biomedicínské a energetické aplikace.

Ve studii provedené v roce 2018 byly antimonenem modifikované sítotiskové elektrody (SPE) podrobeny testu galvanostatického náboje / výboje pomocí dvouelektrodového přístupu k charakterizaci jejich superkapacitivních vlastností. Nejlepší pozorovaná konfigurace, která v SPE obsahovala 36 nanogramů antimonenu, vykázala specifickou kapacitu 1578 F g -1 při proudu 14 A g -1 . Více než 10 000 z těchto galvanostatických cyklů klesnou hodnoty retence kapacity zpočátku na 65% po prvních 800 cyklech, ale poté zůstanou mezi 65% a 63% po zbývajících 9 200 cyklů. Systém 36 ng antimonen / SPE také vykázal hustotu energie 20 mW h kg -1 a hustotu výkonu 4,8 kW kg -1 . Tyto superkondenzativní vlastnosti naznačují, že antimonen je slibným elektrodovým materiálem pro superkondenzátorové systémy.

Bi: bismuthen

Předpovídalo se, že bismuthen, dvourozměrný alotrop bismutu , je topologický izolátor . Předpovídalo se, že bismuthen si zachovává svoji topologickou fázi, když se pěstuje na karbidu křemíku v roce 2015. Predikce byla úspěšně realizována a syntetizována v roce 2016. Na první pohled je systém podobný grafenu, jak jsou atomy Bi uspořádány ve voštinové mřížce. Avšak bandgap je tak velký jako 800 mV kvůli velké spin-orbitální vazbě atomů Bi a jejich interakci se substrátem. Dosahují tedy aplikace pokojové teploty kvantového spinového Hallova jevu . Exfoliace bismuthenu shora dolů byla hlášena v různých případech u nedávných prací propagujících implementaci bismuthenu v oblasti elektrochemického snímání.

Kovy

3D topografický obrázek AFM vícevrstvého palladiového nanočlánku.

Byly předvedeny jedno a dvouatomové vrstvy platiny v geometrii dvourozměrného filmu. Tyto atomově tenké platinové filmy jsou epitaxně pěstovány na grafenu, který ukládá tlakové napětí, které modifikuje povrchovou chemii platiny a zároveň umožňuje přenos náboje přes grafen . Jedna atomová vrstva palladia o tloušťce do 2,6 Á a rhodium o tloušťce menší než 4 Á byly také syntetizovány a charakterizovány mikroskopií s atomovou silou a transmisní elektronovou mikroskopií.

2D slitiny

Dvourozměrné slitiny je jedna atomová vrstva slitiny, která není srovnatelná s podkladovým podkladem. Jedním příkladem jsou 2D uspořádané slitiny Pb s Sn a s Bi.

2D suprakrystaly

Byly navrženy a teoreticky simulovány suprakrystaly 2D materiálů. Tyto monovrstevné krystaly jsou postaveny z nad atomových periodických struktur, kde jsou atomy v uzlech mřížky nahrazeny symetrickými komplexy. Například v hexagonální struktuře grafenových vzorů se 4 nebo 6 atomy uhlíku by byly uspořádány hexagonálně místo jednotlivých atomů, jako opakující se uzel v jednotkové buňce .

Sloučeniny

Graphane
Dvě střídavě naskládané vrstvy hexagonálního nitridu boru
Germanane

Germanan je jednovrstvý krystal složený z germania s jedním vodíkem vázaným ve směru z pro každý atom. Germananeova struktura je podobná grafanu , Bulk germanium tuto strukturu nepřijímá. Germanan se vyrábí ve dvou krocích počínaje germanidem vápenatým . Z tohoto materiálu se vápník (Ca) odstraní de- interkalací s HCl , čímž se získá vrstvená pevná látka s empirickým vzorcem GeH. Ca místa v zintylové fázi CaGe
2 výměna s atomy vodíku v roztoku HCl za vzniku GeH a CaCl2.

Organické

Ni 3 (HITP) 2 je organický, krystalický, strukturně laditelný elektrický vodič s vysokou povrchovou plochou. HITP je organická chemická látka (2,3,6,7,10,11-hexaamino trifenylen ). Sdílí hexagonální voštinovou strukturu grafenu . Více vrstev přirozeně vytváří dokonale zarovnané hromádky se stejnými 2 nm otvory ve středu šestiúhelníků. Elektrická vodivost při pokojové teplotě je ~ 40  S  cm −1 , srovnatelná s objemovým grafitem a mezi nejvyššími pro všechny vodivé kovově-organické rámce (MOF). Teplotní závislost jeho vodivosti je lineární při teplotách mezi 100 K a 500 K, což naznačuje neobvyklý mechanismus přenosu náboje, který nebyl dříve pozorován u organických polovodičů .

Tvrdilo se, že tento materiál je první ze skupiny vytvořené střídáním kovů a / nebo organických sloučenin. Materiál lze izolovat jako prášek nebo film s hodnotami vodivosti 2, respektive 40 S cm -1 .

Kombinace

Jednotlivé vrstvy 2D materiálů lze kombinovat do vrstvených sestav. Například dvouvrstvý grafen je materiál skládající se ze dvou vrstev grafenu . Jedna z prvních zpráv o dvojvrstvém grafenu byla v seminární vědecké práci z roku 2004 Geima a kolegů, ve které popsali zařízení „která obsahovala pouze jednu, dvě nebo tři atomové vrstvy“. Vrstvené kombinace různých 2D materiálů se obecně nazývají van der Waalsovy heterostruktury . Twistronics je studium toho, jak úhel (zkroucení) mezi vrstvami dvourozměrných materiálů může změnit jejich elektrické vlastnosti.

Charakterizace

K charakterizaci tloušťky a velikosti 2D materiálů se používají mikroskopické techniky, jako je transmisní elektronová mikroskopie , 3D elektronová difrakce , mikroskopie skenovací sondy , skenovací tunelovací mikroskop a mikroskopie atomové síly . Elektrické vlastnosti a strukturní vlastnosti, jako je složení a defekty, jsou charakterizovány Ramanovou spektroskopií , rentgenovou difrakcí a rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií .

Aplikace

Hlavní článek: Potenciální aplikace grafenu

Hlavní očekávání vědců spočívá v tom, že vzhledem k jejich výjimečným vlastnostem nahradí 2D materiály konvenční polovodiče, aby poskytly novou generaci elektroniky.

Biologické aplikace

Výzkum 2D nanomateriálů je stále v plenkách, přičemž většina výzkumu se zaměřuje na objasnění jedinečných materiálových charakteristik a několik zpráv se zaměřuje na biomedicínské aplikace 2D nanomateriálů . Nicméně nedávný rychlý pokrok v 2D nanomateriálech vyvolal důležité, ale vzrušující otázky týkající se jejich interakcí s biologickými skupinami. 2D nanočástice, jako jsou 2D materiály na bázi uhlíku, silikátové jíly, dichalkogenidy přechodových kovů (TMD) a oxidy přechodných kovů (TMO), poskytují díky svým jednotným tvarům, vysokým poměrům povrchu k objemu vylepšenou fyzikální, chemickou a biologickou funkčnost, a povrchový náboj.

Dvourozměrné (2D) nanomateriály jsou ultratenké nanomateriály s vysokým stupněm anizotropie a chemické funkčnosti. 2D nanomateriály jsou velmi rozmanité, pokud jde o jejich mechanické , chemické a optické vlastnosti, stejně jako o velikost, tvar, biokompatibilitu a rozložitelnost. Díky těmto různorodým vlastnostem jsou 2D nanomateriály vhodné pro širokou škálu aplikací, mimo jiné včetně dodávek léčiv , zobrazování , tkáňového inženýrství a biosenzorů . Jejich nízkodimenzionální nanostruktura jim však dává některé společné vlastnosti. Například 2D nanomateriály jsou nejtenčí známé materiály, což znamená, že také mají nejvyšší specifický povrch všech známých materiálů. Tato vlastnost činí tyto materiály neocenitelnými pro aplikace vyžadující vysokou úroveň povrchových interakcí v malém měřítku. Výsledkem je, že 2D nanomateriály jsou zkoumány pro použití v systémech pro podávání léčiv , kde mohou adsorbovat velké množství molekul léčiv a umožňují lepší kontrolu nad kinetikou uvolňování. Navíc jejich výjimečné poměry povrchu k objemu a obvykle vysoké hodnoty modulu je činí užitečnými pro zlepšení mechanických vlastností biomedicínských nanokompozitů a nanokompozitních hydrogelů , a to i při nízkých koncentracích. Jejich extrémní štíhlost pomohla k průlomům v biosenzování a sekvenování genů . Tenkost těchto molekul jim navíc umožňuje rychle reagovat na vnější signály, jako je světlo, což vedlo k využití v optických terapiích všeho druhu, včetně zobrazovacích aplikací, fototermální terapie (PTT) a fotodynamické terapie (PDT).

Navzdory rychlému tempu vývoje v oblasti 2D nanomateriálů je nutné tyto materiály pečlivě vyhodnotit z hlediska biokompatibility , aby byly relevantní pro biomedicínské aplikace. Novost této třídy materiálů znamená, že i relativně dobře zavedené 2D materiály, jako je grafen, jsou špatně chápány, pokud jde o jejich fyziologické interakce s živými tkáněmi . Složitost proměnné velikosti a tvaru částic, nečistoty z výroby a proteinové a imunitní interakce navíc vyústily ve spleť znalostí o biokompatibilitě těchto materiálů.

Související články

Reference

Dodatečné čtení