Графен, представляющий собой один слой атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, привлек к себе большое внимание благодаря своим исключительным электрическим, тепловым и механическим свойствам.Однако высокая стоимость его производства, проблемы масштабируемости и экологические проблемы заставили исследователей изучать альтернативные материалы, которые могут имитировать или даже превосходить графен в некоторых областях применения.К таким альтернативным материалам относятся гексагональный нитрид бора (h-BN), дихалькогениды переходных металлов (TMD), черный фосфор и MXenes.Каждый из этих материалов обладает уникальными свойствами, которые делают их пригодными для конкретных применений, таких как электроника, хранение энергии и катализ.В этом ответе рассматриваются наиболее перспективные альтернативы графену, их свойства и потенциальные области применения.
Ключевые моменты объяснены:
-
Гексагональный нитрид бора (h-BN)
- Свойства:Часто его называют \"белым графеном"\", h-BN имеет схожую с графеном структуру гексагональной решетки, но состоит из атомов бора и азота, а не углерода.Это превосходный электроизолятор с высокой теплопроводностью, что делает его идеальным для использования в качестве подложки или изолирующего слоя в электронных устройствах.
- Области применения h-BN широко используется в 2D-электронике, поскольку обеспечивает гладкую, химически инертную поверхность, которая минимизирует рассеяние электронов.Он также используется в системах терморегулирования благодаря своей способности эффективно рассеивать тепло.
-
Дихалькогениды переходных металлов (ТМД)
- Свойства:ТМД, такие как дисульфид молибдена (MoS₂) и диселенид вольфрама (WSe₂), представляют собой слоистые материалы с общей формулой MX₂, где M - переходный металл, а X - халькоген (сера, селен или теллур).Эти материалы проявляют полупроводниковые свойства, в отличие от графена, который является материалом с нулевой полосой пропускания.
- Области применения:ТМД особенно перспективны для использования в полевых транзисторах (ПТ), фотодетекторах и оптоэлектронных устройствах.Их перестраиваемая полоса пропускания позволяет создавать гибкую и прозрачную электронику.
-
Черный фосфор
- Свойства:Черный фосфор представляет собой слоистый материал с ячеистой структурой.Он обладает перестраиваемой полосой пропускания, которая зависит от количества слоев и составляет от 0,3 эВ (объемный) до 2,0 эВ (монослойный).Это свойство делает его очень универсальным для электронных и оптоэлектронных применений.
- Области применения:Черный фосфор используется в высокопроизводительных транзисторах, фотодетекторах и устройствах хранения энергии.Благодаря своим анизотропным свойствам он также подходит для применения в устройствах, зависящих от направления, таких как датчики.
-
MXenes
- Свойства:MXenes - это семейство двумерных карбидов, нитридов и карбонитридов переходных металлов с общей формулой Mₙ₊₁XₙTₓ, где M - переходный металл, X - углерод или азот, а Tₓ - поверхностные функциональные группы.Они обладают высокой электропроводностью, механической прочностью и гидрофильностью.
- Области применения:МХены широко используются в устройствах хранения энергии, таких как суперконденсаторы и батареи, благодаря высокой площади поверхности и проводимости.Кроме того, их используют для экранирования электромагнитных помех и очистки воды.
-
Карбид кремния (SiC)
- Свойства:Карбид кремния - это соединение кремния и углерода с широкой полосой пропускания, высокой теплопроводностью и исключительной механической прочностью.Он доступен как в объемной, так и в двумерной форме.
- Области применения:SiC используется в высокотемпературных и мощных электронных устройствах, таких как инверторы и компоненты электромобилей.Его двумерная форма, известная как силицен, изучается на предмет использования в электронике следующего поколения.
-
Фосфорен
- Свойства:Фосфорен представляет собой монослойную форму черного фосфора и обладает прямой полосой пропускания, что делает его очень подходящим для оптоэлектронных приложений.Он также обладает высокой подвижностью носителей и анизотропными свойствами.
- Области применения:Фосфорен используется в транзисторах, фотодетекторах и солнечных батареях.Его анизотропная природа позволяет создавать устройства с направленной чувствительностью.
-
Graphdiyne
- Свойства:Graphdiyne - двумерный материал на основе углерода со структурой, похожей на графен, но с дополнительными ацетиленовыми связями между атомами углерода.Такая структура придает ему настраиваемую зону пропускания и высокую пористость.
- Области применения:Графдиен исследуется на предмет использования в области хранения энергии, катализа и разделения газов.Его уникальная структура позволяет эффективно накапливать ионы лития, что делает его перспективным материалом для аккумуляторов.
-
Карбид бора (B₄C)
- Свойства:Карбид бора - легкий, твердый материал с высокой термической и химической стабильностью.Он часто используется в композитных материалах для улучшения их механических свойств.
- Области применения:B₄C используется в бронировании, нейтронном экранировании и высокотемпературных приложениях.Его двумерная форма исследуется на предмет использования в электронных устройствах.
Используя эти альтернативные материалы, исследователи и промышленники могут преодолеть некоторые ограничения, связанные с графеном, и при этом добиться высокой производительности в различных приложениях.Каждый материал обладает уникальными преимуществами, что делает их подходящими для конкретных случаев использования в электронике, хранении энергии и других областях.
Сводная таблица:
| Материал | Основные свойства | Области применения |
|---|---|---|
| Гексагональный нитрид бора (h-BN) | Электроизолятор, высокая теплопроводность | Двумерная электроника, терморегулирование |
| Дихалькогениды переходных металлов (TMDs) | Полупроводниковые, с перестраиваемой полосой пропускания | Полевые транзисторы, фотоприемники, оптоэлектроника |
| Черный фосфор | Перестраиваемая полоса пропускания, анизотропные свойства | Транзисторы, фотодетекторы, накопители энергии |
| MXenes | Высокая электропроводность, механическая прочность, гидрофильность | Суперконденсаторы, батареи, экранирование электромагнитных помех |
| Карбид кремния (SiC) | Широкая полоса пропускания, высокая теплопроводность, механическая прочность | Мощная электроника, компоненты электромобилей |
| Фосфорен | Прямая полоса пропускания, высокая подвижность носителей, анизотропные свойства | Транзисторы, фотодетекторы, солнечные элементы |
| Graphdiyne | Перестраиваемая полоса пропускания, высокая пористость | Накопление энергии, катализ, разделение газов |
| Карбид бора (B₄C) | Легкий вес, высокая термическая и химическая стабильность | Бронезащита, нейтронное экранирование, высокотемпературные применения |
Хотите узнать больше об альтернативах графена? Свяжитесь с нашими экспертами сегодня чтобы найти лучший материал для вашего применения!
