Двумерный кристалл — плоский кристалл, обладающий трансляционной симметрией только по двум направлениям. Толщина кристалла много меньше его характерных размеров в плоскости. Из-за малой толщины и, соответственно, больших механических напряжений двумерные кристаллы очень легко разрушаются, поэтому они располагаются обычно на поверхности объёмных материалов или плавают в растворах, при этом в последнем случае размеры кристаллов составляют порядка 1 микрона. Двумерные кристаллы обладают зонной структурой, поэтому говорят об их металлических, полупроводниковых и диэлектрических свойствах. Исследователи ограничивают количество двумерных кристаллов цифрой 500.
Стабильность двумерных кристаллов Ещё в 1930-е годы Ландау и Пайерлс показали, что кристалл в двух измерениях непременно будет разрушаться тепловыми флуктуациями положений атомов в решётке. Это утверждение соответствовало экспериментальным данным на протяжении десятков лет.
Тем не менее, несмотря на собственную двухмерность, двумерные кристаллы всё же находятся в трёхмерном пространстве, и взаимодействие поперечных деформаций с деформациями в плоскости приводит к термодинамической стабильности. Если плёнка будет чуть-чуть деформирована, например содержать рябь, бугорки нанометрового размера, то такая структура может существовать без контакта с подложкой. Возможность такого эффекта была предсказана раньше, но вопрос о фактическом существовании изолированных двумерных кристаллов оставался открытым до экспериментов группы Гейма и Новосёлова в 2004 году.
Поперечный размер бугорков в графене составляет около 10 нм, высота — менее нанометра.Путешествие по Флатландии
Методы получения Первым из двумерных кристаллов был исследован графен. Его получали методом механического расщепления объёмного кристалла графита. Этот метод оказался удобен для получения других двумерных кристаллов из слоистых материалов. Другой двумерный кристалл фосфорен, составленный из фосфора, был получен аналогично.
К настоящему времени разработаны различные физические и химические методы получения графена и других двумерных кристаллов, основной из которых — химическое осаждение из газовой фазы (CVD), позволяющее получать кристаллы хорошего качества сравнительно дёшево. CVD позволяет получить двумерные монокристаллы сантиметровых размеров.
Примеры двумерных кристаллов Среди двумерных кристаллов можно выделить большой класс слоистых материалов, составленных из халькогенидов (S, Se, Te) и переходных металлов (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Pd, Pt) по формуле MeX2.
+ Двумерные кристаллы Элемент Соединение Источник 5BБор h-BNборофены 6CУглерод Графен, Графин 14SiКремний Силицен 15PФосфор Фосфорен 22TiТитан TiS2, TiSe2, TiTe2 23VВанадий VS2, VSe2, VTe2, VCl2, VBr2, VI2 24CrХром CrS2, CrSe2, CrTe2 39YИттрий YN2 32GeГерманий Германен 40ZrЦирконий ZrS2, ZrSe2, ZrTe2, ZrN2 41NbНиобий NbS2, NbSe2, NbTe2 42MoМолибден MoS2, MoSe2, MoTe2, MoN2 43TcТехнеций TcN2 46PdПалладий PdS2, PdSe2, PdTe2 50SnОлово Станен 51SbСурьма Антимонен 72HfГафний HfS2, HfSe2, HfTe2 73TaТантал TaS2, TaSe2, TaTe2 74WВольфрам WS2, WSe2, WTe2 78PtПлатина PtS2, PtSe2, PtTe2
Существуют и органические двумерные кристаллы, такие как (BEDT-TTF)2X.
См. также Двумерный электронный газ
Примечания
*