Двумерные (2D) материалы представляют собой кристаллические структуры с атомной толщиной, обладающие высокой анизотропией свойств. Классическим примером является графен — одноатомный слой углерода, упорядоченный в гексагональную решётку. Ключевая особенность 2D материалов заключается в сильной ковалентной связи внутри плоскости и слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействиях между слоями. Такая структурная особенность обеспечивает уникальные механические, электрические и тепловые характеристики.
Кристаллическая симметрия 2D материалов напрямую определяет их электронные свойства. Например, гексагональная симметрия графена приводит к линейной дисперсии электронов около точки Дирака, что обеспечивает высокую подвижность носителей заряда и нулевую эффективную массу электронов. В Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) — дисульфидах или диселенидaх переходных металлов — наблюдается разрыв инверсной симметрии в однослойных формах, что ведёт к появлению спин-орбитальных эффектов и валентных сплитов в энергетическом спектре.
Двумерные материалы демонстрируют широкий диапазон электронных свойств: от металлических до полупроводниковых и изолирующих. Графен обладает полуметаллической природой с нулевой шириной запрещённой зоны и линейной энергетической дисперсией электронов. В отличие от него, TMDs (MoS₂, WS₂, WSe₂) в однослойной форме становятся прямыми полупроводниками с шириной запрещённой зоны 1–2 эВ, что делает их перспективными для оптоэлектронных устройств. Модификация состава, функционализация поверхности и создание гетероструктур позволяют управлять положением зонной структуры, плотностью состояний и электронными переходами.
Двумерные материалы характеризуются сильной поглощательной способностью и ярко выраженной анизотропией в оптическом диапазоне. В однослойных TMDs наблюдаются экситонные эффекты с высокой энергией связи экситонов (до 0.5 эВ), что обусловлено квантовым ограничением и слабой экранирующей способностью слоёв. Гетероструктуры 2D материалов демонстрируют межслойные экситоны с долгим временем жизни, что открывает возможности для создания фотодетекторов и светодиодов с высокой эффективностью.
Сильные ковалентные связи внутри плоскости обеспечивают двумерным материалам выдающуюся прочность при малой толщине. Графен имеет предельное удлинение до 20–25% и модуль Юнга порядка 1 ТПа. Слои TMDs обладают меньшей жесткостью, но сохраняют значительную механическую устойчивость. Важным аспектом является способность 2D материалов к значительной деформации без разрушения, что используется при создании гибкой электроники и нанокомпозитов.
Теплопроводность 2D материалов определяется сильной межатомной связью и низкой рассеянностью фононов. Графен обладает рекордной теплопроводностью (около 3000–5000 Вт/(м·К)), что объясняется малой дефектностью и высокой скоростью распространения акустических фононов. В TMDs теплопроводность значительно ниже (10–100 Вт/(м·К)), но она может быть усилена за счет структурного упорядочивания и интеграции с другими 2D материалами. Анизотропия теплопроводности играет ключевую роль в термическом управлении наноустройств.
Синтез двумерных материалов осуществляется различными подходами: механическим и химическим осаждением, эпитаксиальным ростом на подложках, химическим осаждением из газовой фазы (CVD, PVD), а также методом жидкофазного эксфолиирования. Выбор метода определяет качество кристаллов, количество дефектов, размер монокристаллических областей и возможность масштабирования. Например, CVD позволяет получать однослойный графен и TMDs на больших площадях с контролем толщины и кристаллитов.
Функционализация поверхности 2D материалов и создание гетероструктур открывают возможности для тонкой настройки свойств. Введение атомов-доноров или акцепторов, молекулярных функциональных групп, дефектов или посторонних слоев позволяет управлять электронной проводимостью, каталитической активностью, оптическими свойствами и взаимодействием с другими материалами. Гетероструктуры типа MoS₂/WS₂ или графен/h-BN демонстрируют уникальные эффекты, такие как межслойная передача заряда, высокое квантовое сцепление и модификация энергетических зон.
Двумерные материалы находят широкое применение в электронике, оптоэлектронике, сенсорике и энергетике. Они используются для создания транзисторов с высокой подвижностью носителей, фотодетекторов, гибких дисплеев, суперконденсаторов, катализаторов и материалов для хранения энергии. Уникальные механические, тепловые и электронные свойства делают их перспективными для нанотехнологий и квантовых устройств нового поколения.