Prebieha intenzívne štúdium 2D materiálov

Uhlík je v prírode najrozšírenejší prvok a je súčasťou tisícov chemických zlúčenín. Čistý uhlík sa v závislosti od typu chemickej väzby vyskytuje v niekoľkých modifikáciách – ako diamant, grafit, fulerén či grafén. Grafit je najbežnejšou formou uhlíka. Atómy uhlíka sa navzájom viažu do šesťuholníkov, ktoré tvoria roviny a jednotlivé roviny grafitu sú navzájom viazané iba slabými silami. To nám umožňuje napr. písanie ceruzkou. Ak zoberieme len jednu takúto rovinu tvorenú atómami uhlíka, dostaneme grafén.

„Ide o veľmi tenký materiál – hovoríme o 2D štruktúre. Zistilo sa, že vlastnosti grafénu sú odlišné ako vlastnosti grafitu či iných modifikácií uhlíka. Medzi neobyčajné vlastnosti grafénu patrí napríklad výborná elektronická a tepelná vodivosť a tiež jeho mechanické vlastnosti,“ uvádza Mgr. Michaela Sojková, PhD., Elektrotechnický ústav SAV.

Pripomína, že objav grafénu v roku 2004 bol v roku 2010 ocenený Nobelovou cenou za fyziku. Následne bolo objavené, že aj ďalšie materiály sa dajú pripraviť vo forme jednej vrstvy, čo bol začiatok intenzívneho štúdia novej skupiny materiálov s názvom 2D materiály.

„Existuje niekoľko spôsobov, ako pripraviť 2D materiály, ale najjednoduchšou je tzv. metóda lepiacej pásky, ktorá bola prvýkrát použitá na prípravu grafénu. Keďže prirodzeným zdrojom týchto materiálov sú vrstevnaté kryštály, monoatomárne vrstvy sa dajú pripraviť odlupovaním jednotlivých vrstiev pomocou lepiecej pásky, následne sa prenesú na vhodnú podložku. Nevýhodou tejto metódy je, že veľkosť takto pripravených kryštálov je iba niekoľko desiatok mokrometrov, čo nie je postačujúce pre priemyselné využitie týchto materiálov. Veľkou výzvou je preto príprava vrstiev 2D materiálov na veľkej ploche.“

Dichalkogenidy prechodných kovov tvoria podľa odborníčky obrovskú skupinu zlúčenín, ktoré môžu byť pripravené vo forme „2D“. Ide o sulfidy, selenidy a teluridy prechodných kovov (napr. molybdénu, wolfrámu, titánu).

„Elektrické vlastnosti týchto materiálov pokrývajú celú škálu štruktúr, od izolantov cez polovodiče až po kovy. Navyše niektoré z nich vykazujú ´exotické´ stavy, ako sú napr. supravodivosť, vlny nábojovej hustoty (charge density wave, CDW) alebo stav topologického izolantu.“

Disulfid molybdénu – MoS₂ je možno najviac študovaná zlúčenina z tejto skupiny 2D materiálov, pokračuje Mgr. Michaela Sojková, PhD.

„K významným zmenám elektronických vlastností vrstvených kryštálov dochádza, ak je ich hrúbka redukovaná na monovrstvu alebo vrstvu zloženú len z niekoľkých monovrstiev. Je známe, že objemový MoS₂ kryštál je nepriamy polovodič so šírkou zakázaného pásu 1,29 eV. Na rozdiel od grafénu, ktorý nemá zakázaný pás, monoatomárna vrstva MoS₂ je priamy polovodič.“

Takýto materiál je teda podľa odborníčky vhodný napr. pre digitálne obvody a svetlo emitujúce diódy. Vzhľadom na osobité vlastnosti 2D materiálov sa predpokladá, že môžu nájsť uplatnenie v rôznych aplikáciách, ako je optoelektronika, spintronika, chemické a biologické senzory, katalyzátory, superkondenzátory, solárne články a lítiové iónové batérie.

 

Štruktúra vrstevnatého MoS₂. Jedna vrstva MoS₂ je zložená z rovín S−Mo−S, v ktorej sú Mo a S spolu kovalentne viazané. Zdroj: Xu, M. et al., Chem. Reviews 2013, 113, 3766

 

Praktické aplikácie 2D materiálov a uloženie vrstiev na podložke

Na Elektrotechnickom ústave SAV sa vedci venujú príprave tenkých vrstiev 2D dichalkogenidov prechodných kovov (hlavne MoS₂ a PtSe₂) na veľkých plochách (niekoľko cm²).

„Používame dvojkrokovú metódu, kde v prvom kroku nanesieme na vhodnú podložku tenkú vrstvu prechodného kovu, ktorú následne žíhame v parách síry alebo selénu pri vysokých teplotách. Pre praktické aplikácie 2D materiálov je dôležité, akým spôsobom je uložená vrstva na podložke. Ak je rovina vrstvy rovnobežná s podložkou, hovoríme o horizontálnom usporiadaní a takéto vrstvy sú vhodné napr. pre použite v optoelektronike a v elektronike. Pri vertikálnom usporiadaní rastú roviny 2D materiálu kolmo na podložku. Takéto usporiadanie spôsobuje, že vrstvy majú chemicky reaktívne okrajové miesta a sú vhodné pre reakcie na vývoj vodíka, dezinfekciu a rozklad vody alebo solárne články. Vertikálne rastené MoS2 vrstvy už boli úspešne testované ako senzory plynov,“ uvádza Mgr. Michaela Sojková, PhD.

Hlavným cieľom projektu 2D materiály a iónové kvapaliny pre využitie v mikroelektronike a senzorike je optimalizácia prípravy a charakterizácia tenkých vrstiev 2D dichalkogenidov prechodných kovov na veľkých plochách a rôznych podložkách (kremík, zafír a pod). Následne budú vrstvy testované pre praktické využitie.

„V súčasnosti sme zvládli prípravu MoS₂ a PtSe₂ vrstiev na ploche niekoľko cm². Zmenou podmienok prípravy vieme meniť orientáciu a pripraviť tak horizontálne aj vertikálne rastené vrstvy oboch materiálov. V spolupráci s Fyzikálnym ústavom AV ČR sa nám podarilo úspešne pripraviť MoS₂ vrstvy na exotickom substráte – na diamantovej vrstve. Diamant je známy vysokou mechanickou tvrdosťou, odolnosťou voči opotrebeniu, chemickou inertnosťou, vysokou tepelnou vodivosťou, optickou transparentnosťou a biokompatibilitou. Pre tenké MoS₂ vrstvy môže diamant slúžiť ako mechanicky stabilná a chemicky inertná nosná podložka.“

Povrch diamantovej podložky môže byť podľa zodpovednej riešiteľky projektu navyše štruktúrovaný tak, aby sa zväčšila jeho povrchová plocha, čo následne zvýši aj povrchovú plochu a tým aj účinnosť MoS₂ v niektorých aplikáciách. Zmenou podmienok prípravy sa im aj na tomto substráte podarilo pripraviť horizontálne aj vertikálne usporiadanie vrstiev.

 

^{Snímky z rastrovacieho elektrónového mikroskopu MoS₂ vrstiev s rôznou orientáciou na mikrokryštalickom diamantovom substráte (a, b – horizontálna orientácia, c, d – vertikálna orientácia). Na obrázku (d) vidíme stojace MoS₂ vločky na okraji kryštálov diamantu. Ilustráciu poskytla: M. Sojková}

 

Projekt sa rieši súčasne s APVV projektom Dr. Martina Hulmana z ELÚ SAV s názvom „2D materiály iné ako grafén: monovrstvy, heteroštruktúry a hybridné vrstvy“. Pri riešení spolupracujú hlavne s Fyzikálnym ústavom SAV. Z medzinárodnej spolupráce môže Mgr. Michaela Sojková PhD. spomenúť spoluprácu s Fyzikálnym ústavom AV ČR v Prahe a s BACH beamline Elettra – Sincrotrone Trieste S.C.p.A., CNR v Terste v Taliansku.

V budúcnosti plánujú prípravu ďalších 2D materiálov zo skupiny dichalkogenidov prechodných kovov, ako aj prípravu heteroštruktúr – rastu viacerých typov 2D materiálov na sebe.

„Takisto sa chceme venovať príprave elektronických prvkov tvarovaním pripravených vrstiev do vhodných elektronických štruktúr,“ uzavrela.

 

Odborný garant textu a ilustráciu poskytla: Mgr. Michaela Sojková, PhD.

Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR

Zdroj fotografie: Xu, M. et al., Chem. Reviews 2013, 113, 3766

Ilustračné úvodné foto: Pixabay.com /seagul/

Uverejnila: MS

Zdroj: https://vedanadosah.cvtisr.sk/