2D-Werkstoffe: Rising Star für die Zukunft

Einführung

2D-Materialien, oder einschichtige Materialien, sind Materialien mit einzelnen Atomschichten. Auf der Mikroebene betrachtet, sind 2D-Materialien Materialien auf der Nanoskala. Das bekannteste Beispiel für 2D-Materialien ist Graphen, das aus Kohlenstoff-Allotropen in einer hexagonalen Gitter-Nanostruktur besteht und 2004 erstmals isoliert wurde. Abbildung 1 zeigt die Struktur einer Graphenschicht.

Monolayer-Graphen weist einige einzigartige Eigenschaften auf. Es hat eine hundertmal höhere Zugfestigkeit als die meisten Stähle nach Gewicht. Außerdem hat es die höchste thermische und elektrische Leitfähigkeit. Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften von Graphen konzentrieren sich viele Studien und Forscher auf die Entwicklung anderer zusätzlicher einatomiger Kohlenstoffnetzwerke wie Graphdiyne, Graphenylen und andere. Graphen wird zum Vorreiter bei der Entwicklung von 2D-Materialien.

Abbildung 1: Graphen-Schicht

Was ist ein 2D-Material?

Wenn wir über Materialien in drei Dimensionen nachdenken, sind 2D-Materialien Materialien, die nur eine Dimension im Nanobereich haben. Wenn Materialien alle drei Dimensionen in Nanogröße haben, sind sie 0D-Materialien. Tabelle 1 gibt Ihnen einen Überblick über 0- bis 3D-Materialien [1].

Tabelle 1: 0- bis 3D-Materialien mit Beispielen

2D-Materialien werden in Elemente, Metallverbindungen, organische Stoffe und Salze unterteilt. Abbildung 2 zeigt Ihnen die Strukturen und Klassifizierungen verschiedener 2D-Materialien [2].

Hexagonales Bornitrid (h-BN) ist eine Isomorphie von Graphen (hat die gleichen Mikrostrukturen wie Graphen, wie in Abbildung 1 gezeigt, außer dass Kohlenstoff durch Bor und Nitrid ersetzt wird).

MoS2 gehört zu den Übergangsmetall-Dichalcogeniden (TMDCs). Die chemische Formel von TMDCs lautet MX2 (M ist das Übergangsmetall wie Mn; X ist das Chalkogen wie S, Se und Te). TMDCs bilden X-M-X dreischichtige kovalente Bindungsstrukturen.

Aufgrund ihrer unterschiedlichen mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften werden 2D-Materialien in verschiedenen Bereichen eingesetzt, über die wir später noch sprechen werden. Lassen Sie uns zunächst einige Informationen darüber erhalten, wie 2D-Materialien hergestellt werden.

Abbildung 2: Sorten und Strukturen für verschiedene 2D-Materialien [2]

Wie stellt man 2D-Materialien her?

2D-Materialien sind Materialien mit einzelnen Atomschichten. Es ist möglich, Massenmaterialien dünner zu machen, so wie man Schinken schneidet, aber das Problem ist nicht so einfach wegen der chemischen Bindungen einiger Materialien in 3 Dimensionen. Das Aufbrechen dieser Bindungen macht die dünnen Schichten sehr instabil und chemisch reaktiv. Bei Graphit ist das anders. Als zweidimensionales Material hat es nur starke chemische Bindungen innerhalb der Ebenen, wobei sich die einzelnen Ebenen überlappen und Graphit bilden (siehe Abbildung 3 [3]). Daher kann die oben beschriebene Strategie auch zur Herstellung von Graphen verwendet werden.

Abbildung 3: Graphitstruktur [3]

Es gibt zwei Möglichkeiten zur Herstellung von 2D-Materialien: Top-down und Bottom-up.

Bei der Top-down-Methode werden große oder massive Materialien in einem kontrollierten Prozess geschnitten und die entstandenen Schichten entfernt. Die grundlegende Strategie wurde bereits erwähnt. Top-down-Verfahren lassen sich in mechanische, Flüssigphasen-, Ultraschall-, elektrochemische, Ionenwechsel- und Lithiuminterkalations-Exfoliationen unterteilen [2].

Beim Bottom-down-Verfahren werden atomare oder molekulare Elemente verwendet und zu 2D-Materialien zusammengefügt. Bottom-down verwendet Materialien, die kleiner sind als 2D-Materialien, um 2D-Materialien wie Bausteine herzustellen. Zu den Bottom-Down-Verfahren gehören epitaktisches Wachstum, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), gepulste Laserabscheidung (PLD), nasschemische Verfahren, wellenunterstützte Verfahren oder topochemische Umwandlung [2].

Mechanische Exfoliation, flüssige Exfoliation und CVD werden üblicherweise zur Herstellung von 2D-Materialien verwendet.

Mechanisches Exfolieren

Bei der mechanischen Exfoliation wird eine mechanische Kraft eingesetzt, um eine dünne Schicht oder mehrere dünne Schichten eines Materials von einem Grundmaterial abzutrennen. In der Regel wird ein Stück "Klebeband" verwendet, um das Hauptmaterial abzulösen und die dünnen Schichten zu sammeln. Bei allen Top-Down-Methoden besteht das Hauptproblem darin, die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den einzelnen Schichten im Schüttgut zu überwinden. Durch sorgfältige Anwendung von Normal- und Seitenkräften während des Schälvorgangs können wir durch mechanisches Exfolieren dennoch hochwertige 2D-Materialien herstellen. Allerdings sind geringe Effizienz und Ausbeute die Hauptprobleme des mechanischen Exfolierens.

Flüssiges Exfolieren

Flüssige Exfoliation kann diese Nachteile der mechanischen Exfoliation ausgleichen, indem ein organisches Lösungsmittel als Zwischenmedium verwendet wird, um die mechanische Kraft auf das Bulk-Material zu übertragen, und durch Beschallung Zugspannung auf jede Schicht ausgeübt wird, wodurch sich jede Schicht ablöst. Bei 2D-Materialien, die durch Flüssig-Exfoliation hergestellt werden, können jedoch Rückstände organischer Lösungsmittel zurückbleiben, wodurch sich 2D-Materialien für einige optische Anwendungen nicht eignen.

Chemische Gasphasenabscheidung

Die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) kann hochwertige und hocheffiziente 2D-Materialien in kontrollierten Größen herstellen. In einem beheizten Ofen treffen ein oder mehrere Vorläufergase, die atomare oder molekulare Elemente enthalten, auf ein Substrat, auf dem dann 2D-Materialien wachsen. CVD wird erfolgreich zur Herstellung von Graphen und TMDCs eingesetzt. Gasdruck, Temperatur, Reaktionszeit usw. spielen eine wichtige Rolle für die Qualität, Dicke und Zusammensetzung des 2D-Materials.

Warum 2D-Materialien und ihre Anwendung

Vorteile von 2D-Material

Im Vergleich zu Schüttgut gibt es bei 2D-Materialien aufgrund ihrer einschichtigen Struktur keine Van-der-Waals-Kräfte. Van-der-Waals-Kräfte sind abstandsabhängige Wechselwirkungen zwischen Atomen oder Molekülen. Wenn das Material die Van-der-Waals-Kräfte bei Belastung nicht überwinden kann, bricht es. Kovalente Bindungen teilen Elektronen miteinander, was bedeutet, dass das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zwischen den Atomen stark ist. 2D-Materialien haben keine van-der-Waals-Kräfte, sondern nur kovalente Bindungen und weisen daher eine extrem hohe Zugfestigkeit auf. Graphen ist das Material, das in der Natur die höchste Zugfestigkeit aufweist.

Die einschichtige Struktur des 2D-Materials verleiht ihm ein relativ hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Es kann mit mehr Reaktanten in Kontakt treten und so schnellere Reaktionen ermöglichen. 2D-Materialien weisen auch gute elektronische und optische Eigenschaften auf, da die Verringerung der Periodizität in der Richtung senkrecht zur Ebene die Bandstruktur verändert.

Anwendungen von 2D-Materialien

2D-Materialien werden häufig in Transistoren, Fotodetektoren, Halbleitern, Kondensatoren, Memristoren und vielen anderen Anwendungen eingesetzt.

Graphenoxid wird aufgrund seiner hervorragenden Dispergierbarkeit häufig zur Herstellung von Verbundwerkstoffen aus Fasern, Folien oder 3D-Strukturen verwendet. Durch die Kombination von 50 % Graphenoxid mit 50 % Cellulosenanofibrillen (CNF) weist das hergestellte Aerogel eine höhere Festigkeit und Steifigkeit auf als reines CNF-Aerogel [2].

Das hohe Oberflächen-Volumen-Verhältnis vonGraphen verringert die Entflammbarkeit von Gasen [2]. Dies macht Graphen zu einem Zusatzstoff, der die Entflammbarkeit von Polymerverbundwerkstoffen und anderen Materialien erhöht. Aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, chemischen Stabilität und hohen Ladungsträgerbeweglichkeit zeigt Graphen auch in Memristoren gute Leistungen. Es übernimmt eine gute Verantwortung beim resistiven Schalten unter Hochgeschwindigkeits- und Langzeitbedingungen. TMDCs, BN oder BP können ebenfalls in Memristoren verwendet werden.

TMDCs(_MoS2, _WSe2, _WS2) werden häufig in Feldeffekttransistoren (FETs) verwendet, die die wichtigsten Elemente in der Elektronik sind. Die gute Ladungsbeweglichkeit und die moderaten Bandlücken der TMDCs machen sie für FET-Anwendungen geeignet [2].

Die hervorragenden dielektrischen Eigenschaften von h-BN-Filmen ermöglichen die Kombination von h-BN/Ge/Metall in Kondensatoren.

Es gibt viele Anwendungen und 2D-Materialien, die noch nicht erwähnt wurden. Stanford Advanced Materials (SAM) bietet verschiedene Arten von 2D-Materialien an. Wenn Sie weitere Informationen über 2D-Materialien wünschen, können Sie unsere technischen Mitarbeiter mit Ihren Anwendungsinformationen um Rat fragen.

Referenz

1. 2D-Werkstoffe: Eine Einführung in zweidimensionale Materialien. Ossila. (n.d.). Abgerufen am 28. Januar 2023, von https://www.ossila.com/en-us/pages/introduction-2d-materials
2. Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & Das, O. (n.d.). Ein Überblick über die Synthese, Eigenschaften und Anwendungen von 2D-Materialien. A Review of the Synthesis, Properties, and Applications of 2D Materials. Abgerufen am 29. Januar 2023, von https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031
3. Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & Das, O. (n.d.). Ein Überblick über die Synthese, Eigenschaften und Anwendungen von 2D-Materialien. A Review of the Synthesis, Properties, and Applications of 2D Materials. Abgerufen am 29. Januar 2023, von https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031