Vật liệu 2D là gì?
Vật liệu 2D là các tinh thể chỉ dày một hoặc vài nguyên tử. Graphene, được phân lập năm 2004 (Giải Nobel 2010), là vật liệu đầu tiên. Hiện nay có hàng trăm loại: MoS₂ bán dẫn cho transistor, hBN cách điện làm đế hoàn hảo, phosphor đen với khe năng lượng có thể điều chỉnh, và nhiều loại khác với tính chất không thể có ở dạng khối.
Tại sao xếp chồng? Bằng cách xếp lớp các vật liệu 2D khác nhau như gạch LEGO nguyên tử, bạn tạo ra cấu trúc dị thể van der Waals với tính chất được thiết kế riêng. Xoay hai lớp graphene đến "góc ma thuật" (1,1°) và nó trở thành chất siêu dẫn. Khả năng là vô hạn.
📖 Tìm hiểu sâu
Ví dụ 1
Hãy tưởng tượng mỗi vật liệu 2D như một viên gạch LEGO duy nhất - graphene là tấm đế chắc chắn, MoS₂ là linh kiện điện tử và hBN là miếng đệm cách điện mịn. Xếp chúng theo bất kỳ thứ tự nào để tạo nên các thiết bị có thuộc tính tùy chỉnh, giống như việc kết hợp các mảnh LEGO để tạo nên bất cứ thứ gì bạn tưởng tượng.
Ví dụ 2
Các tinh thể khối giống như một bộ bài dày được giữ lại với nhau bằng các lực yếu. Sự cô lập graphene giống như việc cẩn thận bóc ra một lá bài - lá bài đó (tấm dày nguyên tử) có những đặc tính mà toàn bộ bộ bài chưa bao giờ thể hiện. Mỗi lớp thẻ có thể được xáo trộn, xoắn hoặc kết hợp với các thẻ từ các bộ bài khác nhau.
🎯 Mẹo sử dụng
Người mới
Bắt đầu với Graphene và nhấn Start để xem dòng điện tử. Hãy thử chuyển sang MoS₂ để xem chất bán dẫn hoạt động khác như thế nào — hãy chú ý đến khoảng cách dải tần xuất hiện.
Trung cấp
Thêm doping loại n hoặc loại p và quan sát hành vi của chất mang. Tác dụng một điện trường lên graphene hai lớp để mở ra vùng cấm – một kỹ thuật then chốt trong nghiên cứu thực tế.
Chuyên gia
Đặt góc xoắn thành 1,1° với 2 lớp graphene để khám phá chế độ góc kỳ diệu. Hãy xem khoảng cách vùng cấm bị thu hẹp khi các dải phẳng hình thành - đây là cách tính siêu dẫn xuất hiện trong graphene hai lớp xoắn.
📚 Thuật ngữ
🏆 Nhân vật chính
Andre Geim & Konstantin Novoselov (2004)
Graphene cô lập tại Manchester bằng phương pháp băng Scotch, đoạt giải Nobel Vật lý 2010
Pablo Jarillo-Herrero (2018)
Nhà vật lý MIT đã phát hiện ra tính siêu dẫn graphene hai lớp xoắn góc ma thuật
James Hone (2008)
Nhà nghiên cứu Columbia đã đo sức mạnh nội tại của graphene - vật liệu mạnh nhất từng được thử nghiệm
Feng Wang (2014)
Nhà vật lý UC Berkeley đang nghiên cứu các tính chất quang và điện tử của cấu trúc dị vòng van der Waals
Andrei Bernevig (2019)
Nhà lý thuyết Princeton đã dự đoán các đặc tính tôpô của graphene hai lớp xoắn
🎓 Tài nguyên học tập
- Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films [paper]
Bài báo cô lập graphene đoạt giải Nobel (Khoa học, 2004) - Unconventional superconductivity in magic-angle graphene [paper]
Khám phá tính siêu dẫn ở graphene hai lớp xoắn ở góc kỳ diệu (Nature, 2018) - 2D Materials Database [article]
Cơ sở dữ liệu tính toán các đặc tính vật liệu 2D dành cho nhà nghiên cứu - Graphene Flagship [article]
Sáng kiến €1B của EU thúc đẩy nghiên cứu vật liệu 2D từ phòng thí nghiệm đến thị trường