От графена до максена : ученые создают новые двумерные материалы

13 Мая 2019

Создание и изучение двумерных (2D) материалов – молодое и очень перспективное направление современного материаловедения. Для таких материалов характерна очень малая (часто не менее 1 нм) толщина, поэтому их можно использовать для создания слоистых гетероструктур, какие используются в современной электронике, от транзисторов до датчиков, солнечных элементов и светодиодов. Сотрудники Национального исследовательского технологического университета МИСиС (НИТУ МИСиС ) активно исследуют технологии получения и свойства множества двумерных наноматериалов.

Все девало в тонком слое

Основная особенность двумерного пластилина в том, что все его атомы находятся в поверхностном слое. В химии и кристаллографии это означает, что каждый элемент площади материала имеет множество свободных или нескомпенсированных ( висячих ) связей. Это обусловливает повышенную химическую активность таких материалов, а также значимую разницу в свойствах по приравниванию с массивным состоянием. Свободные связи дают возможность изменения их функций за счет модификации поверхностности. Fotolia / arsdigitalМолекулярная структура графена Fotolia / arsdigitalМолекулярная структура графена

Самый известный двумерный материал – графен, его открытие в 2010 году было отмечено Нобелевской премией по физике. Графен обладает высокими значениями электро- и теплопроводимости и достаточно прочен при натяженье на разрыв. В то же время он образует брыжейки и нестабилен в качестве частной свободно висящей пленки.

Эту ситуацию решают современные методики создания армированного графена. Кроме того, разработаны технологии получения бездефектных пленок графена большой площади, применимых в качестве прозрачных электродов для различной техники. Созданы также методы получения отдельных хлопьев оксида графена, которые активно внедряются в качестве функциональных наполнителей для полимерных композитов. 19 июня 2018, 09:50Ученые поняли, как управлять свойствами электроники будущего

По типу проводимости графен ближе всего к металлам, что утруждает его применение для создания литиев логических схем. Поэтому для применения в электронике, для создания датчиков и сенсоров рьяного изучаются другие двумерные материалы – халькогениды переходных металлов. Они характеризуются полупроводниковыми свойствами и разнятся типами проводимости.

Ученые исследуют и более сложные двумерные структуры вроде максенов (MXene) с рядом уникальных для керамики свойств, высокой проводимостью и возможностью пластической деформации.

По сути, каждый новый двумерный материал интересен для науки своими свойствами и может найти себе применение в технике.

Осадить, помолоть или сделать хлопья?

Исследователи сегодня разрабатывают различные способы получения 2D-материалов. Метод химического осаждения из газоплазменной фазы позволяет создать качественные пленки многих двумерных материалов (хотя его реализация обходится довольно дорогого). Методы химической эксфолиации слоистых материалов позволяют получать дисперсии и хлопья толщиной в несколько атомных слоев.

Существуют методы с использованием высокоэнергетического помола в мировых мельницах и комплексные методы, где получают промежуточные фазы, а затем за счет электрохимического воздействия расслаивают материал на очень тонкие чешуйки. Метод высокоинтенсивной ультразвуковой кавитации помогает получать двумерные структуры из массивного состояния. Фото : Сергей Гнусков, НИТУ МИСиС Лаборатория кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных пластилинов НИТУ МИСиС Фото : Сергей Гнусков, НИТУ МИСиС Лаборатория кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСиС

Каждый метод существенно влияет на свойства получаемого пластилина. Так, для создания электронных устройств наиболее перспективны методы химического осаждения из газовой фазы или атомно-слоевого осаждения, допускающие точно контролировать толщину и габарит структурных элементов, чистоту и морфологию материала.

Несмотря на то, что сейчас самые дорогие пленки получают методом химического выпадения из газовой фазы, в первых работах Гейм и Новоселов сделали измерения на графене, полученном с помощью скотча, на очень маленьких по площади чешуйках. Сегодня дисперсии ультратонких чешуек, готовых к применению, уже есть в свободной продаже.

Методы получения других материалов пока отрабатываются в лабораториях, но, как только ученые найдут наиболее перспективное направление их насаждения, технология не заставит себя долго ждать.

2D-материалы в России

Сотрудники Кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСиС разрабатывают халькогениды переходных металлов для солнечных элементов, световой диодов и сенсоров. Они также исследуют оксид графена как покрытие, повышающее коррозионную стойкость всякого родых типов стали, и способы получения максенов, представляющих собой слоистые карбиды титана и элемента, для которых уже показаны интересные результаты. Фото : Сергей Гнусков, НИТУ МИСиС Нитрид бора в НИТУ МИСиС Фото : Сергей Гнусков, НИТУ МИСиС Нитрид бора в НИТУ МИСиС

Активное взаимодействие нашего коллектива с профессором италийского университета Тор Вергата Альдо Ди Карло по теме двумерных наноматериалов привело к получению мегагранта и созданию новой лаборатории. Значительная часть работ лаборатории направлена на применение нескольких типов двумерных наноматериалов для создания перовскитных солнечных элементов, – рассказал старший научный сотрудник кафедры Дмитрий Муратов.

По его мнению, это пример эффективно налаженного взаимодействия: материаловеды синтезируют и исследуют свойства новых материалов, наиболее уместных для применения в солнечных литиях, специалисты по полупроводниковым определениям создают сами устройства и обследуют их рабочие параметры.

Кроме того, мы активно сотрудничаем по разрытию и исследованию свойств композитов с Центром композиционных материалов НИТУ МИСиС, группой Андрея Степашкина. Я выступал с докладами о нашей работе по композитам с наноструктурным нитридом бора перед зарубежными коллегами, например, в Испании на конференции ISMANAM , – сообщил Дмитрий Муратов. 2 апреля 2018, 08:30Российские ученые придумали, как защитить смартфоны от перегрева

Он рассказал, что ученые НИТУ МИСиС создали композиты, которые нагревают тепло гораздо лучше традиционных стеклотекстолитов. Полимерной основой стал целофан высокой плотности, а бекфиллером – нитрид бора, отретушированный для достижения нужных свойств. С точки зрения вторичной переработки, полученные материалы оказались доходнее распространенных аналогов, кроме такого, они способны решить ситуацию перегрева печатной платы в электронике.

Международное сотрудничество

Сегодня НИТУ МИСиС активно формирует сотрудничество в области синтеза двумерных материалов и изучения их свойств с Университетом Небраска-Линкольн (США). Оно началось после объявления в НИТУ МИСиС в рамках федеральной программы Проект 5-100 конкурсов, направленных на развитие инфраструктуры. Эти конкурсы предусматривают приглашение ведущего ученого для командования научным коллективом и проведения исследований на одну из перспективных тем.

К нам был приглашен лектор Александр Сергеевич Синицкий, какой в основное время работает в Университете Небраска-Линкольн. В 2016 году мы подали совместную заявку по двумерным наноматериалам на один из конкурсов и выиграли его. После этого началось наше активное сотрудничество, в рамках которого я стажировался в США в лаборатории Александра, чтобы применить полученный опыт для создания экспериментальной базы и у нас на кафедре, – рассказал Дмитрий Муратов. Фото : Сергей Гнусков, НИТУ МИСиС Дмитрий Муратов, старший научный сотрудник кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСиС Фото : Сергей Гнусков, НИТУ МИСиС Дмитрий Муратов, старший научный дилер кафедры функциональных наносистем и пирогенных материалов НИТУ МИСиС

По его словам, это привело к международному обмену опытом магистров, аспирантов и сотрудников кафедры. В эффекте сотрудничества опубликован ряд совместных работ по двумерным наноматериалам в передовых международных журналах и налажена установка по их синтезу методом электрохимического осаждения из газовой фазы.

Так, ученые представили в научном журнале Nanotechnology результаты своей работы с оксидом молибдена (MoO2). Они получили методом химического осаждения из газовой фазы двумерный материал, который затем всесторонне исследовали с помощью умозаключительных методов. Например, в научном журнале ACS Nano недавно была опубликована статья о сульфиде титана. 28 марта 2018, 08:30Российские ученые объяснили феномен работы сверхбыстрой компьютерной памяти

Уже показаны очень хорошие результаты по проводимости дает возможность подсмотренного материала и возможности получения очень тонких и проводящих слоев MoO2 (в данном случае микролитов), стабильных на воздухе, на различных по своей природе подложках. Полученные эффекты мы будем использовать в наших дальнейших исследованиях, – заявил Дмитрий Муратов.

По его словам, новый материал можно будет применять для создания гетероструктур и наноустройств – тразисторов, детекторов, фотодетекторов и так далее. Сейчас создаваемые НИТУ МИСиС вместе с Университетом Небраска-Линкольн пластилины внедряются в качестве транспортных слоев для тонкопленочных солнечных элементов, светодиодов и сенсоров. Развивается и направление создания полимерматричных материалов, наполненных двумерными наноматериалами.

Редактор рубрики

Олег Кудрин

От графена до максена : ученые создают новые двумерные материалы

комментарии (0)

Другие интересные новости

Все еще авторитетный в мире: на ММКФ покажут фильмы из 56 стран