¿Qué son los materiales bidimensionales?
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Estado de la investigación y perspectivas de los materiales bidimensionales
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Ciencias de la información y Tecnología del Laboratorio Estatal Clave de Materiales de Silicio de la Universidad de Zhejiang, Escuela de Ingeniería Electrónica, Hangzhou 310027.
Online: 2018-12-15
Acerca del autor
Becario postdoctoral en la Universidad de Zhejiang, investigador asistente, dedicado a la preparación de materiales bidimensionales y la investigación de dispositivos Xu, Universidad de Zhejiang Información Es profesor de la Escuela de Ingeniería Electrónica y se dedica principalmente a la investigación de materiales y dispositivos bidimensionales.
Los materiales bidimensionales son un término general para una gran clase de materiales, que se refiere a que el tamaño del material se reduce al espesor máximo de la capa atómica en una dimensión, mientras que el tamaño del material es relativamente grande en las otras dos dimensiones. El material bidimensional más típico y antiguo probado experimentalmente es el grafeno. En 2004, K. S. Novoselov et al. publicaron un artículo en la revista Science, informando que el grafeno se obtuvo mediante exfoliación mecánica de grafito pirolítico altamente orientado y demostró sus excelentes y únicas propiedades eléctricas. Desde entonces, los materiales bidimensionales representados por el grafeno se han desarrollado rápidamente y han surgido nuevos materiales bidimensionales. Gracias al efecto de confinamiento cuántico en la dirección del espesor de la capa atómica, estos materiales bidimensionales exhiben propiedades completamente diferentes de sus correspondientes estructuras tridimensionales y, por lo tanto, han atraído una amplia atención por parte de la comunidad científica y la industria.
Además del grafeno, otros materiales bidimensionales incluyen: siliceno, germaneno, estaneno, borofeno, fósforo negro y calcogenuros de metales de transición como MoS2, WSe2, ReS2, PtSe2, NbSe2, grupo principal. calcogenuros metálicos como GaS, InSe, SNS, SnS y otros materiales bidimensionales como h-BN, CrI3 y NiPS3. Estos materiales bidimensionales tienen estructuras de bandas de energía y propiedades eléctricas completamente diferentes, abarcando materiales desde superconductores, metales, semimetales, semiconductores hasta aislantes. Al mismo tiempo, también presentan excelentes propiedades ópticas, mecánicas, térmicas y magnéticas. Al apilar diferentes tipos de materiales 2D, se pueden construir sistemas de materiales más versátiles. Por lo tanto, se espera que estos materiales se utilicen en dispositivos electrónicos de alto rendimiento, dispositivos optoelectrónicos, dispositivos espintrónicos, conversión y almacenamiento de energía y otros campos.
La investigación actual sobre materiales bidimensionales se centra principalmente en la preparación, caracterización, modificación, cálculo teórico y exploración de aplicaciones, y ha logrado grandes avances. Por ejemplo, en términos de preparación, los métodos de exfoliación mecánica se utilizan ampliamente para preparar muestras de materiales bidimensionales para la investigación de propiedades físicas en el laboratorio y los métodos de producción de dispositivos pueden preparar un número controlable de capas de grafeno de gran superficie y alta calidad; y algunos compuestos de calcogenuro de metales de transición, sentando las bases para aplicaciones comerciales. Para la caracterización de materiales bidimensionales, los investigadores han establecido una serie de métodos de caracterización como la espectroscopia complementaria y el transporte de electrones. La modificación también es un aspecto muy importante en el desarrollo de materiales 2D. Mediante dopaje, modificación química, control electrostático, aleaciones y otros medios, se pueden evitar en la mayor medida las deficiencias del material y se pueden aprovechar sus ventajas. Los cálculos teóricos juegan un papel crucial en el desarrollo de materiales 2D. A través de cálculos teóricos, se pueden descubrir más materiales bidimensionales nuevos, predecir sus propiedades, explicar los fenómenos observados y guiar el diseño experimental. En términos de aplicaciones, la construcción de transistores de alta frecuencia basados en grafeno, transistores de efecto de campo de canal corto basados en MoS2 y transistores de efecto túnel, así como la realización de otros dispositivos eficientes de emisión de luz y fotodetección, muestran el enorme potencial de aplicación. de materiales bidimensionales.