Двумерный кристалл

Двумерный кристалл — плоский кристалл, обладающий трансляционной симметрией только по двум направлениям. Толщина кристалла много меньше его характерных размеров в плоскости. Из-за малой толщины и, соответственно, больших механических напряжений двумерные кристаллы очень легко разрушаются, поэтому они располагаются обычно на поверхности объёмных материалов или плавают в растворах, при этом в последнем случае размеры кристаллов составляют порядка 1 микрона. Двумерные кристаллы обладают зонной структурой, поэтому говорят об их металлических, полупроводниковых и диэлектрических свойствах. Исследователи ограничивают количество двумерных кристаллов цифрой 500^[1].

Стабильность двумерных кристаллов

Ещё в 1930-е годы Ландау и Пайерлс показали, что кристалл в двух измерениях непременно будет разрушаться тепловыми флуктуациями положений атомов в решётке. Это утверждение соответствовало экспериментальным данным на протяжении десятков лет.

Тем не менее, несмотря на собственную двумерность, двумерные кристаллы всё же находятся в трёхмерном пространстве, и взаимодействие поперечных деформаций с деформациями в плоскости приводит к термодинамической стабильности.^[2] Если плёнка будет чуть-чуть деформирована, например содержать рябь, бугорки нанометрового размера, то такая структура может существовать без контакта с подложкой. Возможность такого эффекта была предсказана раньше, но вопрос о фактическом существовании изолированных двумерных кристаллов оставался открытым до экспериментов группы Гейма и Новосёлова в 2004 году.

Поперечный размер бугорков в графене составляет около 10 нм, высота — менее нанометра.^[3]

Методы получения

Первым из двумерных кристаллов был исследован графен^[4]. Его получали методом механического расщепления объёмного кристалла графита. Этот метод оказался удобен для получения других двумерных кристаллов из слоистых материалов^[5]. Другой двумерный кристалл фосфорен, составленный из фосфора, был получен аналогично.

К настоящему времени разработаны различные физические и химические методы получения графена и других двумерных кристаллов, основной из которых — химическое осаждение из газовой фазы (CVD), позволяющее получать кристаллы хорошего качества сравнительно дёшево. CVD позволяет получить двумерные монокристаллы сантиметровых размеров^[6].

Примеры двумерных кристаллов

Среди двумерных кристаллов можно выделить большой класс слоистых материалов, составленных из халькогенидов (S, Se, Te) и переходных металлов (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Pd, Pt) по формуле MeX₂^[7]^[8].

**Двумерные кристаллы**
Элемент	Соединение	Источник

5 B Бор	h-BN борофены	^[9]^[10]
6 C Углерод	Графен	^[11]
14 Si Кремний	Силицен	^[12]
15 P Фосфор	Фосфорен	^[12]
22 Ti Титан	TiS₂, TiSe₂, TiTe₂	^[9]
23 V Ванадий	VS₂, VSe₂, VTe₂, VCl₂, VBr₂, VI₂	^[9]
24 Cr Хром	CrS₂, CrSe₂, CrTe₂	^[9]
39 Y Иттрий	YN₂
32 Ge Германий	Германен	^[13]
40 Zr Цирконий	ZrS₂, ZrSe₂, ZrTe₂, ZrN₂	^[9]^[14]
41 Nb Ниобий	NbS₂, NbSe₂, NbTe₂	^[9]
42 Mo Молибден	MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, MoN₂	^[9]^[14]
43 Tc Технеций	TcN₂	^[14]
46 Pd Палладий	PdS₂, PdSe₂, PdTe₂	^[9]
50 Sn Олово	Станен	^[12]
51 Sb Сурьма	Антимонен	^[15]^[16]
72 Hf Гафний	HfS₂, HfSe₂, HfTe₂	^[9]
73 Ta Тантал	TaS₂, TaSe₂, TaTe₂	^[9]
74 W Вольфрам	WS₂, WSe₂, WTe₂	^[9]
78 Pt Платина	PtS₂, PtSe₂, PtTe₂	^[9]

Существуют и органические двумерные кристаллы, такие как (BEDT-TTF)₂X.

См. также

Двумерный электронный газ

Примечания

↑ Gibney, Elizabeth. The super materials that could trump graphene, Nature, Nature (17 июня 2015). Проверено 1 ноября 2015.
↑ J. C. Meyer, A. K. Geim, M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov, T. J. Booth, S. Roth. The structure of suspended graphene sheets // Nature. — 2007. — Vol. 446. — P. 60-63. — DOI:10.1038/nature05545.
↑ Путешествие по Флатландии
↑ K. S. Novoselov et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science. — 2004. — Vol. 306, no. 5696. — P. 666-669. — DOI:10.1126/science.1102896.
↑ K. S. Novoselov et al. Two-dimensional atomic crystals // PNAS. — 2005. — Vol. 102, no. 30. — P. 10451–10453. — DOI:10.1073/pnas.0502848102.
↑ J.-H. Lee et al. Wafer-Scale Growth of Single-Crystal Monolayer Graphene on Reusable Hydrogen-Terminated Germanium // Science. — 2014. — Vol. 344, no. 6181. — P. 286-289. — DOI:10.1126/science.1252268.
↑ Lebègue S., Björkman T., Klintenberg M., Nieminen R. M., and Eriksson O. Two-Dimensional Materials from Data Filtering and Ab Initio Calculations // Phys. Rev. X. — 2013. — Т. 3. — С. 031002. — DOI:10.1103/PhysRevX.3.031002.
↑ Калихман В. Л., Уманский Я. С. Халькогениды переходных металлов со слоистой структурой и особенности заполнения их бриллюэновой зоны // УФН. — 1972. — Т. 108. — С. 503–528. — DOI:10.3367/UFNr.0108.197211d.0503.
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ ¹² Lebegue, 2013.
↑ Baojie Feng, Jin Zhang, Qing Zhong, Wenbin Li, Shuai Li, Hui Li, Peng Cheng, Sheng Meng, Lan Chen & Kehui Wu. Experimental realization of two-dimensional boron sheets // Nature Chemistry. — 2016. — Vol. 8. — P. 563–568. — DOI:10.1038/nchem.2491.
↑ Balendhran S., Walia S., Nili H., Sriram S. and Bhaskaran M. Elemental Analogues of Graphene: Silicene, Germanene, Stanene, and Phosphorene // Small. — 2015. — Т. 11. — С. 640-652. — DOI:10.1002/smll.201402041.
↑ ¹ ² ³ Balendhran, 2015.
↑ Wu F., Huang C., Wu H., Lee C., Deng K., Kan E., and Jena P. Atomically Thin Transition-Metal Dinitrides: High-Temperature Ferromagnetism and Half-Metallicity // Nano Lett.. — 2015. — Т. 15. — С. 8277–8281. — DOI:10.1021/acs.nanolett.5b03835.
↑ ¹ ² ³ Wu, 2015.
↑ Pablo Ares, Juan José Palacios, Gonzalo Abellán, Julio Gómez-Herrero, and Félix Zamora. Recent Progress on Antimonene: A New Bidimensional Material // Adv. Mater. — 2017. — P. 1703771. — DOI:10.1002/adma.201703771.
↑ Т. В. Куликова, Л. А. Битюцкая, А. В. Тучин, А. А. Аверин. Формирование аллотропной наномодификации Sb — мультиантимонена при спонтанной кристаллизации расплава // Перспективные материалы. — 2017. — № 3. — С. 5 – 13.

[Gibney-1] Gibney, Elizabeth. The super materials that could trump graphene, Nature, Nature (17 июня 2015). Проверено 1 ноября 2015.

[2] J. C. Meyer, A. K. Geim, M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov, T. J. Booth, S. Roth. The structure of suspended graphene sheets // Nature. — 2007. — Vol. 446. — P. 60-63. — DOI:10.1038/nature05545.

[3] Путешествие по Флатландии

[novoselov_Science_2004-4] K. S. Novoselov et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science. — 2004. — Vol. 306, no. 5696. — P. 666-669. — DOI:10.1126/science.1102896.

[novoselov_PNAS_2005-5] K. S. Novoselov et al. Two-dimensional atomic crystals // PNAS. — 2005. — Vol. 102, no. 30. — P. 10451–10453. — DOI:10.1073/pnas.0502848102.

[6] J.-H. Lee et al. Wafer-Scale Growth of Single-Crystal Monolayer Graphene on Reusable Hydrogen-Terminated Germanium // Science. — 2014. — Vol. 344, no. 6181. — P. 286-289. — DOI:10.1126/science.1252268.

[7] Lebègue S., Björkman T., Klintenberg M., Nieminen R. M., and Eriksson O. Two-Dimensional Materials from Data Filtering and Ab Initio Calculations // Phys. Rev. X. — 2013. — Т. 3. — С. 031002. — DOI:10.1103/PhysRevX.3.031002.

[8] Калихман В. Л., Уманский Я. С. Халькогениды переходных металлов со слоистой структурой и особенности заполнения их бриллюэновой зоны // УФН. — 1972. — Т. 108. — С. 503–528. — DOI:10.3367/UFNr.0108.197211d.0503.

[_e4ce0f36e458f3d0-9] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ ¹² Lebegue, 2013.

[10] Baojie Feng, Jin Zhang, Qing Zhong, Wenbin Li, Shuai Li, Hui Li, Peng Cheng, Sheng Meng, Lan Chen & Kehui Wu. Experimental realization of two-dimensional boron sheets // Nature Chemistry. — 2016. — Vol. 8. — P. 563–568. — DOI:10.1038/nchem.2491.

[11] Balendhran S., Walia S., Nili H., Sriram S. and Bhaskaran M. Elemental Analogues of Graphene: Silicene, Germanene, Stanene, and Phosphorene // Small. — 2015. — Т. 11. — С. 640-652. — DOI:10.1002/smll.201402041.

[_75a7a0453a2ffbe8-12] ¹ ² ³ Balendhran, 2015.

[13] Wu F., Huang C., Wu H., Lee C., Deng K., Kan E., and Jena P. Atomically Thin Transition-Metal Dinitrides: High-Temperature Ferromagnetism and Half-Metallicity // Nano Lett.. — 2015. — Т. 15. — С. 8277–8281. — DOI:10.1021/acs.nanolett.5b03835.

[_899392aea487d3ed-14] ¹ ² ³ Wu, 2015.

[15] Pablo Ares, Juan José Palacios, Gonzalo Abellán, Julio Gómez-Herrero, and Félix Zamora. Recent Progress on Antimonene: A New Bidimensional Material // Adv. Mater. — 2017. — P. 1703771. — DOI:10.1002/adma.201703771.

[16] Т. В. Куликова, Л. А. Битюцкая, А. В. Тучин, А. А. Аверин. Формирование аллотропной наномодификации Sb — мультиантимонена при спонтанной кристаллизации расплава // Перспективные материалы. — 2017. — № 3. — С. 5 – 13.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]