Прогресс в получении и применении наноструктур BN и наногибридов на основе BN (Обзор)

В журнале Nanomaterials был опубликован обзор содержащий 341 ссылку на литературу, посвященный анализу современного состояния области получения и применения нитрид-борных наноматериалов. Важность данной тематики продиктована большим интересом к подобным наноструктурам со стороны многих областей науки и технологии, благодаря их уникальным физическим, химическим и механическим свойствам, таким как низкая удельная плотность, высокая удельная площадь поверхности, отличная термическая стабильность, устойчивость к окислению, низкое трение, хорошая диспергируемость, повышенная адсорбирующая способность, большая сила межслойного сдвига и широкая запрёщенная зона. К областям возможного применения относятся (но не ограничиваются) гетерогенные катализаторы, перспективные наноносители для адресной доставки лекарств, наноносители содержащие антибиотики и/или бактерицидные наночастицы для борьбы с бактериальными и грибковыми инфекциями, армирующие фазы в металлических, керамических и полимерных матричных композитах, добавки к жидким смазочным материалам, подложки для спектроскопии комбинационного рассеяния света, агенты для нейтронозахватной терапии бором, очиститель воды, газовые и биологические сенсоры, фотодетекторы квантовых точек, однофотонные излучатели и гетероструктуры для электронных, плазмонных, оптоэлектронных, полупроводниковых и магнитных устройств.

В последние годы стремительно растет число статей, посвященных наноструктурам на основе гексагонального нитрида бора (h-BN), и значительно расширяется область их применения. Статистика публикаций и цитирований при поиске по ключевым словам "BN nanostructures" в базе данных Web of Science приведена на рисунке. Количество ежегодных статей уже превысило 900, а число цитирований - более 4000. Основная цель данного обзора - дать критический анализ состояния дел в области h-BN наноструктур на основе обзора последних работ, чтобы продемонстрировать их перспективность во многих важнейших областях современной науки и техники.

Статистика публикаций и цитирований при поиске ключевых слов "BN наноструктуры" в базе данных Web of Science

Обзор был опубликован в Nanomaterials 12, 16, 2810 (2022) ​ . ​

Двумерный алмаз - диаман: текущее состояние и дальнейшие перспективы (обзор)

В престижном журнале Nano Letters опубликован, наверное, самый подробный обзор свойств двумерного алмаза, или диамана. Обзор содержит 106 ссылок на публикации посвящённых данной тематике. В статье обсуждаются свойства диамана, проблемы его синтеза и обсуждаются перспективы этого материала.

Работа опубликована в журнале Nano Lett. 2021

Пожалуй, не будет преувеличением сказать, что алмаз является самым известным кристаллом. Название алмаз всегда ассоциировалось со словом «самый» - самый твёрдый, самый механически жёсткий, самый износостойкий, самый теплопроводный. Естественным образом внимание учёных обращается на его наноразмерный аналог, где также часто обнаруживаются удивительные свойства (например, ультравысокая твёрдость в нанополикристаллах). С развитием направления двумерных материалов возник естественное желание получить и двумерный алмаз, чьи потенциальные свойства поставили бы его в ряд самых перспективных наноструктур наряду с графеном, h-BN или MoS2. Однако, в отличии от данных наноматериалов получение 2D алмаза является сложным процессом, поскольку его формированию мешает эффект графитизации приводящий к его нестабильности на нанометровом размере. Таким образом данный обзор включает в себя две основные части посвящённые особым свойства двумерного алмаза – диамана, и способу его получения, химически индуцированному фазовому переходу, интенсивно изучаемому в последнее время.

На рисунке - эволюция углерода, от двухслойного графена (левая часть рисунка), присоединение к которого сторонних атомов приводит к образованию двумерного алмаза (середина), который, в свою очередь может быть использован в качестве основы для роста кристалла (справа, чёрный цвет).

Исследование плёнок моноатомной толщины: современное состояние

Опубликован обзор в Успехах физических наук (список литературы состоит из 243 наименований) посвящённый текущему состоянию исследований монослойных плёнок. Подробно анализируются свойства моноэлементных плёнок атомарной толщины, таких как двумерные Fe, Au, Li а также Si, Ge, B и др. Рассмотрены двумерные плёнки соединений металлов: FeO, CuO, CoC, FeC и др. Обсуждены подходы к стабилизации плёнок моноатомной толщины в порах или между слоями других двумерных материалов. Описан механизм расщепления плёнок с ионно-ковалентным межатомным взаимодействием с полярными поверхностями на отдельные слабо связанные слои.

Работа опубликована в журнале УФН, 2020. 193, №1. С.30-51.

Изолирование и последующее подробнейшее исследование графена показали его значительные перспективы и возможности использования в широкой области технологий: композиционные материалы, низкоразмерные катализаторы, сенсорные экраны, проводящие чернила, электронная бумага, органические светоизлучающие диоды и т.д. Через 10–20 лет ожидается внедрение транзисторов и других логических устройств на основе графена.

Основными сложностями для широкого использования графена в электронике являются требования к высокому качеству его атомной структуры при синтезе, а также отсутствие запрещённой зоны. Последнее является фундаментальной проблемой, универсальное решение которой до сих пор не найдено. Каждый из предложенных подходов, как, например, функционализация, внесение дефектов в структуру или разделение графена на отдельные ленты, имеют свои недостатки]. Действительно, химическая адсорбция сторонних атомов на графен приводит к изменению гибридизации атомов углерода с sp2 на sp3 с разрушением π-системы, отвечающей за проводимость графена. Предложенный вариант с частичной функционализацией путём формирования гидрированных или фторированных участков (в качестве предельного случая – формирование отдельных, периодически расположенных цепочек водорода) решает данную проблему, поскольку между данными участками в графене открывается запрещённая зона за счёт размерного эффекта. Однако данный способ, несмотря на экспериментальные подтверждение эффекта, требует атомарно точной адсорбции атомов, что на данный момент является трудновыполнимой задачей.

Таким образом, альтернативным путём может стать использование монослоёв другого состава, тем более что пионерская работа группы Гейма продемонстрировала гибкость подхода микромеханического отщепления для получения плоских двумерных структур из любых слабо связанных слоистых кристаллов. Полученные материалы имеют плоскую структуру толщиной всего в один или несколько атомных слоёв, в то время как поперечный размер может превышать несколько микрометров. Атомарная толщина, квантовые размерные эффекты, высокая анизотропия физических, химических, электронных и оптических свойств двумерных наноматериалов, а также широкие перспективы для их применения, неустанно поддерживают огромный интерес со стороны мирового научного сообщества.

Исследования в области обнаружения новых квазидвумерных плёнок были настолько эффективны, что к 2020 году их уже насчитывается несколько сотен, что приводит к парадоксальной ситуации, при которой у научного сообщества отсутствует достаточное количество ресурсов для их подробного изучения. Более того, последние теоретические исследования указывают на возможность существования в квазидвумерном состоянии ещё около 5-6 тысяч соединений, что в конечном счёте делает 2D материалы одной из самых обширных и малоисследованных областей современного материаловедения.

Задачей данного обзора авторы ставят ознакомление широкого круга читателей с текущим состоянием материаловедения в области неуглеродных 2D структур. Однако в силу ранее отмеченного значительного числа открытых и предсказанных двумерных кристаллов обсуждение в данной работе будет сфокусировано лишь на плёнках атомарной толщины. При этом возникает определенная трудность с классификацией описываемых соединений: являются ли, например, плёнки фосфорена или силицена атомарно тонкими? Действительно, обе структуры имеют толщину в один атом и различаются лишь степенью гофрированности решётки. Данный факт требует введения критерия, согласно которому в представленном обзоре будут преимущественно рассмотрены лишь те соединения, чья степень гофрирования (смещение атомов из плоскости, Δ) много меньше, чем параметр решётки кристалла, a, т.е. Δ<<a. В частности, использование данного критерия исключает из рассмотрения фосфорен, но требует описания силицена и других родственных материалов.

Данный обзор состоит из трёх основных частей. В первой будут рассмотрены монослойные плёнки, состоящие исключительно из атомов металлов (Fe, Au, и др.), и возможность их стабилизации при помощи других двумерных материалов (преимущественно графен). Вторая часть подробно описывает различные двумерные соединения металлов, в частности, оксиды и карбиды переходных металлов. Третья часть посвящена плёнкам, состоящим из элементов XIII-XVI групп периодической таблицы Д.И. Менделеева: силицену, борофену и родственным материалам.

(см. продолжение на сайте, доступ бесплатный)