Двумерные материалы представляют собой кристаллические системы, толщина которых ограничена одним или несколькими атомными слоями, а протяжённость в плоскости достигает макроскопических размеров. Их отличительная особенность заключается в сильной анизотропии свойств: движения носителей заряда, фононов и взаимодействий происходят преимущественно в двумерной плоскости, что приводит к уникальным механическим, электронным и оптическим характеристикам.
Первые фундаментальные исследования в области двумерных материалов связаны с выделением графена — однослойного углеродного материала с гексагональной решёткой. Графен стал модельной системой для изучения двумерной физики и химии, поскольку он обладает рекордной теплопроводностью, высокой подвижностью электронов и механической прочностью при минимальной толщине. Его открытие положило начало целому направлению в материаловедении.
Ключевые классы двумерных материалов включают:
Внутриплоскостные связи в двумерных материалах отличаются высокой прочностью и формируются за счёт ковалентного взаимодействия. Для графена это σ-связи углерод-углерод, дополненные делокализованными π-электронами, обеспечивающими электрическую проводимость. В TMDs центральный атом металла связан ковалентными связями с атомами халькогена, образуя слоистую структуру, в которой слои удерживаются между собой силами Ван-дер-Ваальса. Такая слабая межслоевая связь позволяет легко получать монослои механическим или химическим методами.
Графен характеризуется линейной дисперсией носителей заряда вблизи точки Дирака и квантовой подвижностью электронов. Дихалькогениды переходных металлов демонстрируют переход от непрямой к прямой запрещённой зоне при уменьшении толщины до одного слоя, что делает их перспективными для оптоэлектроники. Фосфорен выделяется высокой подвижностью дырок и регулируемой шириной запрещённой зоны в зависимости от толщины.
Двумерные материалы обладают исключительной механической прочностью. Графен, несмотря на минимальную толщину, прочнее стали в несколько сотен раз и при этом чрезвычайно гибок. Высокая теплопроводность объясняется эффективным переносом фононов в двумерной решётке. Эти свойства открывают возможности для применения в композитах и системах теплоотвода.
Функционализация поверхностей двумерных материалов расширяет их химическую активность и позволяет создавать гибридные системы. В случае графена окисление даёт графеноксид, который можно редуцировать до восстановленного графена с регулируемыми свойствами. Для TMDs применяются методы легирования и замещения атомов в кристаллической решётке. MXenes легко модифицируются поверхностными группами –OH, –O или –F, что меняет их электропроводность и смачиваемость.
Дальнейшее развитие исследований связано с созданием гетероструктур на основе разных двумерных материалов. Комбинация слоёв с различными свойствами позволяет проектировать новые системы с заданными функциями: сверхпроводящие, магнитные, топологические. Значительное внимание уделяется проблемам масштабного синтеза без дефектов и интеграции с существующими технологиями микро- и наноэлектроники.