مواد ثنائية الأبعاد: النجم الصاعد للمستقبل

مقدمة

المواد ثنائية الأبعاد، أو المواد أحادية الطبقة، هي مواد ذات طبقات مفردة من الذرات. ومن منظور أكثر دقة، فإن المواد ثنائية الأبعاد هي مواد ذات مقياس نانوي. وأشهر مثال على المواد ثنائية الأبعاد هو الجرافين، الذي يتألف من متآصلات الكربون في بنية نانوية شبكية سداسية الشكل، وقد تم عزله لأول مرة في عام 2004. ويوضح الشكل 1 بنية طبقة الجرافين.

ويتميز الجرافين أحادي الطبقة ببعض الخصائص الفريدة. فهو يتمتع بقوة شد أعلى بمئات المرات من معظم أنواع الفولاذ من حيث الوزن. كما أنه يتمتع بأعلى موصلية حرارية وكهربائية. ونظرًا لخصائص الجرافين الفائقة، أولت الكثير من الدراسات والباحثين اهتمامًا بتطوير شبكات كربون إضافية أخرى أحادية الذرة مثل الجرافين والجرافينيلين وغيرهما. وأصبح الجرافين رائدًا في تطوير مواد ثنائية الأبعاد.

الشكل 1: طبقة الجرافين

ما هي المواد ثنائية الأبعاد؟

إذا كنا نفكر في المواد في ثلاثة أبعاد، فإن المواد ثنائية الأبعاد هي مواد لها بعد نانوي واحد فقط. أما إذا كانت المواد ذات الأبعاد الثلاثة بأبعادها النانوية جميعها، فهي مواد 0D. يعطيك الجدول 1 ملخصًا للمواد من 0 إلى ثلاثية الأبعاد [1].

الجدول 1: مواد من 0 إلى ثلاثية الأبعاد مع أمثلة

تنقسم المواد ثنائية الأبعاد إلى عناصر ومركبات فلزية ومركبات عضوية وأملاح. يوضح لك الشكل 2 هياكل وتصنيفات المواد ثنائية الأبعاد المختلفة [2].

يُعد نيتريد البورون السداسي الأضلاع (h-BN) أحد أشكال الجرافين (له نفس البنى المجهرية للجرافين الموضحة في الشكل 1، باستثناء استبدال الكربون بالبورون والنتريد).

MoS2 هو أحد ثنائيات الفلزات الانتقالية (TMDCs). الصيغة الكيميائية لثنائيات الفلزات الانتقالية هي MX2 (M هو الفلز الانتقالي مثل Mn؛ وX هو الكالكوجين مثل S وS وT). تشكل مركبات TMDCs هياكل ترابط تساهمية ثلاثية الطبقات X-M-X.

نظرًا لخصائصها الميكانيكية والكهربائية والبصرية المختلفة، تُستخدم المواد ثنائية الأبعاد على نطاق واسع في مجالات مختلفة سنتحدث عنها لاحقًا. دعونا أولاً نحصل على بعض المعلومات حول كيفية إنتاج المواد ثنائية الأبعاد.

الشكل 2: أنواع وهياكل المواد ثنائية الأبعاد المختلفة [2]

كيف تصنع المواد ثنائية الأبعاد؟

المواد ثنائية الأبعاد هي مواد ذات طبقات مفردة من الذرات. من الممكن جعل المواد السائبة أرق تمامًا مثل قطع لحم الخنزير، لكن المشكلة ليست بهذه السهولة بسبب الروابط الكيميائية لبعض المواد في 3 أبعاد. فكسر هذه الروابط يجعل الطبقات الرقيقة غير مستقرة للغاية ومتفاعلة كيميائيًا. الجرافيت مختلف. فباعتبارها مادة ثنائية الأبعاد، فهي تحتوي فقط على روابط كيميائية قوية داخل المستويات، حيث تتداخل كل مستوى معًا لتكوين الجرافيت (انظر الشكل 3 [3]) . لذلك، يمكن استخدام الاستراتيجية المذكورة أعلاه لصنع الجرافين.

الشكل 3: بنية الجرافيت [3]

هناك فكرتان لصنع مواد ثنائية الأبعاد: من أعلى إلى أسفل ومن أسفل إلى أعلى.

تقطيع المواد الكبيرة أو السائبة من أعلى إلى أسفل في إطار عملية محكومة وإزالة الطبقات المنتجة. تم ذكر استراتيجيتها الأساسية أعلاه. يمكن تقسيمها من أعلى إلى أسفل إلى تقشير ميكانيكي وطور سائل وموجات فوق صوتية وكهروكيميائية وتغيير أيوني وتقشير الليثيوم المتداخل [2].

يستخدم التقشير من الأسفل إلى الأسفل عناصر ذرية أو جزيئية و"يجمعها" معًا لتشكيل مواد ثنائية الأبعاد. يستخدم التقشير من الأسفل إلى الأسفل مواد أصغر من المواد ثنائية الأبعاد لإنتاج مواد ثنائية الأبعاد تمامًا مثل لبنات البناء. ومن بين الأسفل إلى الأسفل، هناك النمو الفوقي أو ترسيب البخار الكيميائي (CVD) أو الترسيب بالليزر النبضي (PLD) أو الطرق الكيميائية الرطبة أو الطريقة الكيميائية الرطبة أو طريقة التحويل بمساعدة الموجات الصفراوية أو التحويل الكيميائي العلوي [2].

يشيع استخدام التقشير الميكانيكي، والتقشير السائل، وطريقة الترسيب الكيميائي بالليزر الرطب، وطريقة الترسيب الكيميائي بالليزر الرطب، وطريقة الترسيب الكيميائي بالليزر الرطب، وطريقة الترسيب الكيميائي بالليزر الرطب.

التقشير الميكانيكي

يستخدم التقشير الميكانيكي قوة ميكانيكية لفصل طبقة رقيقة أو بضع طبقات رقيقة من المادة عن مادة سائبة. وعادة ما يتم استخدام قطعة من "شريط لاصق" لتقشير المادة السائبة وجمع الطبقات الرقيقة. بالنسبة لجميع الطرق من أعلى إلى أسفل، تتمثل المشكلة الرئيسية المهمة في التغلب على قوى فان دير فال بين كل طبقة في المادة السائبة. من خلال تطبيق القوة العادية والقوة الجانبية بعناية أثناء عملية التقشير، لا يزال بإمكاننا إنتاج مواد ثنائية الأبعاد عالية الجودة عن طريق التقشير الميكانيكي. ولكن انخفاض الكفاءة والعائد هما المشكلتان الرئيسيتان للتقشير الميكانيكي.

التقشير السائل

يمكن أن يغطي التقشير السائل هذه العيوب في التقشير الميكانيكي باستخدام مذيب عضوي كوسيط لنقل القوة الميكانيكية إلى المادة السائبة ويؤدي التقشير الصوتي إلى إجهاد الشد لكل طبقة، مما يفصل كل طبقة عن الأخرى. ومع ذلك، قد تحتوي المواد ثنائية الأبعاد الناتجة عن التقشير السائل على بقايا مذيبات عضوية، مما يجعل المواد ثنائية الأبعاد غير مناسبة لبعض التطبيقات البصرية.

ترسيب البخار الكيميائي

يمكن للترسيب الكيميائي للبخار الكيميائي (CVD) إنتاج مواد ثنائية الأبعاد عالية الجودة وعالية الكفاءة تحت أحجام مضبوطة. وداخل فرن ساخن، يصطدم غاز أو عدة غازات سليفة تحتوي على عناصر ذرية أو جزيئية بالركيزة وتنمو المواد ثنائية الأبعاد على الركيزة. يتم تطبيق تقنية CVD بنجاح لإنتاج الجرافين وTMDCs. وتلعب ضغوط الغازات ودرجة الحرارة ووقت التفاعل وما إلى ذلك أدوارًا مهمة في جودة وسماكة وتكوين المواد ثنائية الأبعاد.

لماذا استخدام المواد ثنائية الأبعاد وتطبيقها

مزايا المواد ثنائية الأبعاد

بالمقارنة مع المواد السائبة، لا تحتوي المواد ثنائية الأبعاد على قوى فان دير فالس بسبب تركيبها أحادي الطبقة. قوى فان دير فال هي تفاعلات تعتمد على المسافة بين الذرات أو الجزيئات. إذا لم تتمكن المادة من التغلب على قوى فان دير فال عند الضغط عليها، فسوف تنكسر. تتشارك الرابطة التساهمية الإلكترونات معًا مما يعني الحفاظ على نسبة مساحة السطح إلى الحجم ng الذرات بقوة. لا تحتوي المواد ثنائية الأبعاد على قوى فان دير فال ولكن لديها روابط تساهمية فقط، وبالتالي تُظهر قوة شد قوية للغاية. الجرافين هو المادة التي تتمتع بأعلى قوة شد في الطبيعة.

وتمنحه البنية أحادية الطبقة للمادة ثنائية الأبعاد نسبة مساحة سطح إلى حجم عالية نسبيًا. ويمكنها الاتصال بمزيد من المتفاعلات لإجراء تفاعلات أسرع. تُظهر المادة ثنائية الأبعاد أيضًا خواص إلكترونية وبصرية جيدة لأن تقليل الدورية في الاتجاه العمودي على المستوى يغير بنية النطاق.

تطبيقات المواد ثنائية الأبعاد

تُستخدم المواد ثنائية الأبعاد على نطاق واسع في الترانزستورات، وأجهزة الكشف الضوئي، وأشباه الموصلات، والمكثفات، والميمريستور، والعديد من التطبيقات الأخرى.

وغالبًاما يُستخدم أكسيد الجرافين لصنع مركبات من الألياف أو الأفلام أو الهياكل ثلاثية الأبعاد نظرًا لقابليته الفائقة للتشتت. ومن خلال مزج 50% من أكسيد الجرافين مع 50% من ألياف السليلوز النانوية (CNF)، يُظهر الهباء الجوي المُعد قوة وصلابة أقوى من هباء CNF النقي [2].

تقلل نسبة مساحة سطحالجرافين العالية إلى حجمه من قابلية الغازات للاشتعال [2]. وهذا يجعل من الجرافين مادة مضافة لزيادة مقاومة المواد المركبة البوليمرية وغيرها من المواد الأخرى للاشتعال. يُظهر الجرافين أيضًا أداءً جيدًا في الميمريستورات بسبب الموصلية الكهربائية العالية والثبات الكيميائي والحركة العالية للناقل. ويتحمل مسؤولية جيدة في التبديل المقاوم في ظل ظروف السرعة العالية والمدة الطويلة. يمكن أيضًا استخدام مركبات TMDCs أو BN أو BP في الميمريستورات.

_{تُستخدم} مركبات TMDCs (MoS2 و_WSe2 و WS2 ) على نطاق واسع في ترانزستورات التأثير الميداني (FETs)، والتي تعد أهم العناصر في الإلكترونيات. تجعل حركية الشحنة الجيدة وفجوات النطاق المعتدلة من TMDCs مناسبة لتطبيقات FET [2].

وتسمح الخصائص العازلة الفائقة لفيلم h-BN بالجمع بين h-BN/المعدن/المعدن يظهر في المكثفات.

هناك الكثير من التطبيقات والمواد ثنائية الأبعاد التي لم يتم ذكرها. توفر Stanford Advanced Materials (SAM) أنواعًا مختلفة من المواد ثنائية الأبعاد. إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول المواد ثنائية الأبعاد، يمكنك تقديم معلومات التطبيق الخاص بك إلى موظفينا الفنيين للحصول على المشورة.

المرجع

1. مواد ثنائية الأبعاد: مقدمة عن المواد ثنائية الأبعاد. أوسيلا. (بدون تاريخ). تم الاسترجاع 28 يناير 2023، من 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. (الثانية). مراجعة تركيب وخصائص وتطبيقات المواد ثنائية الأبعاد. مراجعة تركيب وخصائص وتطبيقات المواد ثنائية الأبعاد. تم الاسترجاع 29 يناير 2023، من 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.). مراجعة تركيب وخصائص وتطبيقات المواد ثنائية الأبعاد. مراجعة تركيب وخصائص وتطبيقات المواد ثنائية الأبعاد. تم الاسترجاع 29 يناير 2023، من https ://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031