15:20 2020年04月01日
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二維(2D)材料的創建和研究是現代材料科學中年輕且非常有前景的領域。這些材料的特徵在於非常小(通常小於1納米)的厚度,因此它們可用於創建現代電子設備上使用的分層異質結構,從晶體管到傳感器、太陽能電池和發光二極管。莫斯科國立鋼鐵合金學院國家研究型技術大學(NITU「MISIS」)的員工正在積極探索許多二維納米材料的生產和性能技術。

關鍵在於薄層
二維材料的主要特徵是其所有原子都在表面層中。在化學和晶體學中,這意味著材料區域的每個元素具有許多自由或不能抵消("懸吊")的連接。這使得這種材料的化學活性增加,以及與塊狀相比在性質上的顯著差異。自由的連接可以通過表面變形來改變它們的功能。
最著名的二維材料是石墨烯,2010年它的發現獲得了諾貝爾物理學獎。石墨烯具有高導電性和導熱性,並且在拉伸情況下非常耐用。 同時它形成折痕,並且作為單獨的自由懸掛膠片來說並不穩定。

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© 照片 : NUST MISIS
創建"強化"石墨烯的現代方法能解決該問題。此外,已經開發出用於生產大面積無石墨烯薄膜的技術,該薄膜可以用作各種技術的透明電極。還已經創建了獲得獨立氧化石墨烯薄片的方法,所述氧化石墨烯薄片被積極地用作聚合物復合材料的功能性填料。
根據導電類型,石墨烯最接近於金屬,這使其更難被用於創建邏輯電路元件。因此,為了應用在電子設備中、創建傳感器和感應控制設備,正在積極研究其它二維材料 — 過渡金屬的硫屬化物。它們的特徵是半導體特性並且導電類型不同。
科學家們也在探索類似於MXene的更複雜二維結構,它具有一系列獨特的陶瓷特性、高導電性和塑性變形的可能性。
本質上,科學對每種新二維材料的自身特性非常感興趣,並且這些二維材料可以應用到技術中。

沈澱、研磨或製片?

今天的研究人員正在開發各種生產2D材料的方法。從氣相中進行化學沈澱的方法能夠創造許多二維材料的優質薄膜(儘管其實施非常昂貴)。層狀材料的化學剝離方法能夠獲得具有幾個原子層厚度的分散體和薄片。
有在行星式磨機中使用高能磨削的方法以及綜合性方法,在這些方法中獲得中間相,然後依靠化學作用將材料分層成非常薄的鱗片。高強度超聲空化的方法有助於從塊狀狀態中得到二維結構。
每種方法都會顯著影響所得材料的性質。因此,對於創造電子設備來說,最有前景的方法是氣相或原子層沈澱中的化學沈澱,其允許精確控制結構元件的厚度和尺寸、材料的純度和形態。
儘管現在最優質的薄膜是通過化學氣相沈積方法得到的,但在第一批作業中,格伊姆和諾瓦謝羅夫在通過透明膠獲得的小面積石墨烯薄片上完成了測量。如今,即用型超薄片的分散體已經在自由銷售。
正在實驗室中確定獲得其它材料的方法,但一旦科學家找到它們最有希望的運用方向,該技術就不用等太久。

俄羅斯的2D材料

莫斯科國立鋼鐵合金學院國家研究型技術大學功能納米系統和高溫材料教研室的員工開發用於太陽能電池、發光二極管和傳感器的過渡金屬的硫屬化物。他們還探索氧化石墨烯作為改善各種鋼耐腐蝕性的塗層,以及生產MXene的方法,其是層狀鈦和釩碳化物並且已經取得有趣的成果。
教研室的高級研究員德米特里·穆拉托夫告訴俄羅斯通訊社:"我們團隊與意大利Tor Vergata大學的阿爾多·迪·卡洛教授就二維納米材料的主題進行了積極的合作,得到了大型資助並建立了新的實驗室。該實驗室的大部分工作旨在使用幾種類型的二維納米材料製造鈣鈦礦太陽能電池" 。
德米特里·穆拉托夫表示:"此外,我們還與莫斯科國立鋼鐵合金學院國家研究型技術大學復合材料中心、安德烈·斯捷巴世金小組開展獲得和研究復合材料性能的積極合作。我在國外同事面前彙報過我們在納米結構氮化硼復合材料方面的工作,例如在西班牙ISMANAM會議上"。
他說,莫斯科國立鋼鐵合金學院國家研究型技術大學的科學家創造的復合材料比傳統的玻璃纖維紡織品更好地傳導熱量。聚合物基質是高密度聚乙烯,填料是經過處理以獲得所需性能的氮化硼。從二次處理的角度來看,所獲得的材料比普通類似物更有利可圖,此外,它們能夠解決印刷電路板在電子設備中過熱的問題。

國際合作

當前,莫斯科國立鋼鐵合金學院國家研究型技術大學與內布拉斯加大學林肯分校(美國)積極開展二維材料合成及其性能研究領域內的合作。在聯邦計劃"項目5-100"框架內,在莫斯科國立鋼鐵合金學院國家研究型技術大學宣佈旨在發展基礎設施的競賽後開始了合作。這些競賽邀請領先科學家帶領研究團隊,並對一個有前景的主題進行研究。

德米特里·穆拉托夫表示:"亞歷山大·西尼茨基教授被邀請加入到我們當中,他大部分時間都在內布拉斯加大學林肯分校工作。2016年,我們向其中一個競賽提交了二維納米材料的聯合申請,並贏得了這個競賽。在此之後,我們在亞歷山大實驗室的美國培訓框架內開始了我們的積極合作,以便利用這些經驗在我們的教研室建立實驗基地"。
他表示,這促進了碩士、研究生和教研室工作人員的國際經驗交流。合作的成果是在國際領先的期刊上刊登了一系列關於二維納米材料的聯合作品,並建立了通過化學氣相沈澱方法合成的裝置。
因此,科學家在"納米技術"科學期刊中提出了自己在氧化鉬(MoO2)方面的工作成果。它們通過化學沈積的方法從氣相中獲得二維材料,然後使用分析方法對這個二維材料進行全面研究。例如,不久前在ACS Nano科學雜誌上刊登了關於硫化鈦的文章
德米特里·穆拉托夫表示:"已經顯示出所得材料的導電性、以及能夠空氣中、不同性質的基材上獲得穩定且非常薄的導電MoO 2層(在這種情況下為晶體)方面的積極成果。我們將在進一步研究中利用這些成果"。
他表示,新材料可用於創建異質結構和納米器件 — 晶體管、傳感器、光電探測器等。現在由莫斯科國立鋼鐵合金學院國家研究型技術大學與內布拉斯加大學 — 林肯大學一起創造的材料被用作薄膜太陽能電池、發光二極管和傳感器的傳輸層。製造填充二維納米材料的聚合物基質方向也在發展。

 

關鍵詞
科學, 材料
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