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)
Comments