19:49 2020年02月27日
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二维(2D)材料的创建和研究是现代材料科学中年轻且非常有前景的领域。这些材料的特征在于非常小(通常小于1纳米)的厚度,因此它们可用于创建现代电子设备上使用的分层异质结构,从晶体管到传感器、太阳能电池和发光二极管。莫斯科国立钢铁合金学院国家研究型技术大学(NITU“MISIS”)的员工正在积极探索许多二维纳米材料的生产和性能技术。

关键在于薄层
二维材料的主要特征是其所有原子都在表面层中。在化学和晶体学中,这意味着材料区域的每个元素具有许多自由或不能抵消("悬吊")的连接。这使得这种材料的化学活性增加,以及与块状相比在性质上的显著差异。自由的连接可以通过表面变形来改变它们的功能。
最著名的二维材料是石墨烯,2010年它的发现获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯具有高导电性和导热性,并且在拉伸情况下非常耐用。 同时它形成折痕,并且作为单独的自由悬挂胶片来说并不稳定。

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© 照片 : NUST MISIS
创建"强化"石墨烯的现代方法能解决该问题。此外,已经开发出用于生产大面积无石墨烯薄膜的技术,该薄膜可以用作各种技术的透明电极。还已经创建了获得独立氧化石墨烯薄片的方法,所述氧化石墨烯薄片被积极地用作聚合物复合材料的功能性填料。
根据导电类型,石墨烯最接近于金属,这使其更难被用于创建逻辑电路元件。因此,为了应用在电子设备中、创建传感器和感应控制设备,正在积极研究其它二维材料 — 过渡金属的硫属化物。它们的特征是半导体特性并且导电类型不同。
科学家们也在探索类似于MXene的更复杂二维结构,它具有一系列独特的陶瓷特性、高导电性和塑性变形的可能性。
本质上,科学对每种新二维材料的自身特性非常感兴趣,并且这些二维材料可以应用到技术中。

沉淀、研磨或制片?

今天的研究人员正在开发各种生产2D材料的方法。从气相中进行化学沉淀的方法能够创造许多二维材料的优质薄膜(尽管其实施非常昂贵)。层状材料的化学剥离方法能够获得具有几个原子层厚度的分散体和薄片。
有在行星式磨机中使用高能磨削的方法以及综合性方法,在这些方法中获得中间相,然后依靠化学作用将材料分层成非常薄的鳞片。高强度超声空化的方法有助于从块状状态中得到二维结构。
每种方法都会显著影响所得材料的性质。因此,对于创造电子设备来说,最有前景的方法是气相或原子层沉淀中的化学沉淀,其允许精确控制结构元件的厚度和尺寸、材料的纯度和形态。
尽管现在最优质的薄膜是通过化学气相沉积方法得到的,但在第一批作业中,格伊姆和诺瓦谢罗夫在通过透明胶获得的小面积石墨烯薄片上完成了测量。如今,即用型超薄片的分散体已经在自由销售。
正在实验室中确定获得其它材料的方法,但一旦科学家找到它们最有希望的运用方向,该技术就不用等太久。

俄罗斯的2D材料

莫斯科国立钢铁合金学院国家研究型技术大学功能纳米系统和高温材料教研室的员工开发用于太阳能电池、发光二极管和传感器的过渡金属的硫属化物。他们还探索氧化石墨烯作为改善各种钢耐腐蚀性的涂层,以及生产MXene的方法,其是层状钛和钒碳化物并且已经取得有趣的成果。
教研室的高级研究员德米特里·穆拉托夫告诉俄罗斯通讯社:"我们团队与意大利Tor Vergata大学的阿尔多·迪·卡洛教授就二维纳米材料的主题进行了积极的合作,得到了大型资助并建立了新的实验室。该实验室的大部分工作旨在使用几种类型的二维纳米材料制造钙钛矿太阳能电池" 。
德米特里·穆拉托夫表示:"此外,我们还与莫斯科国立钢铁合金学院国家研究型技术大学复合材料中心、安德烈·斯捷巴世金小组开展获得和研究复合材料性能的积极合作。我在国外同事面前汇报过我们在纳米结构氮化硼复合材料方面的工作,例如在西班牙ISMANAM会议上"。
他说,莫斯科国立钢铁合金学院国家研究型技术大学的科学家创造的复合材料比传统的玻璃纤维纺织品更好地传导热量。聚合物基质是高密度聚乙烯,填料是经过处理以获得所需性能的氮化硼。从二次处理的角度来看,所获得的材料比普通类似物更有利可图,此外,它们能够解决印刷电路板在电子设备中过热的问题。

国际合作

当前,莫斯科国立钢铁合金学院国家研究型技术大学与内布拉斯加大学林肯分校(美国)积极开展二维材料合成及其性能研究领域内的合作。在联邦计划"项目5-100"框架内,在莫斯科国立钢铁合金学院国家研究型技术大学宣布旨在发展基础设施的竞赛后开始了合作。这些竞赛邀请领先科学家带领研究团队,并对一个有前景的主题进行研究。

德米特里·穆拉托夫表示:"亚历山大·西尼茨基教授被邀请加入到我们当中,他大部分时间都在内布拉斯加大学林肯分校工作。2016年,我们向其中一个竞赛提交了二维纳米材料的联合申请,并赢得了这个竞赛。在此之后,我们在亚历山大实验室的美国培训框架内开始了我们的积极合作,以便利用这些经验在我们的教研室建立实验基地"。
他表示,这促进了硕士、研究生和教研室工作人员的国际经验交流。合作的成果是在国际领先的期刊上刊登了一系列关于二维纳米材料的联合作品,并建立了通过化学气相沉淀方法合成的装置。
因此,科学家在"纳米技术"科学期刊中提出了自己在氧化钼(MoO2)方面的工作成果。它们通过化学沉积的方法从气相中获得二维材料,然后使用分析方法对这个二维材料进行全面研究。例如,不久前在ACS Nano科学杂志上刊登了关于硫化钛的文章
德米特里·穆拉托夫表示:"已经显示出所得材料的导电性、以及能够空气中、不同性质的基材上获得稳定且非常薄的导电MoO 2层(在这种情况下为晶体)方面的积极成果。我们将在进一步研究中利用这些成果"。
他表示,新材料可用于创建异质结构和纳米器件 — 晶体管、传感器、光电探测器等。现在由莫斯科国立钢铁合金学院国家研究型技术大学与内布拉斯加大学 — 林肯大学一起创造的材料被用作薄膜太阳能电池、发光二极管和传感器的传输层。制造填充二维纳米材料的聚合物基质方向也在发展。

 

关键词
科学, 材料
社区公约讨论