Materiais 2D: Estrela em ascensão para o futuro

Introdução

Os materiais 2D, ou materiais de camada única, são materiais com camadas únicas de átomos. Em uma visão mais micro, os materiais 2D são materiais em nanoescala. O exemplo mais famoso de material 2D é o grafeno, que consiste em alótropos de carbono em uma nanoestrutura de rede hexagonal e foi isolado pela primeira vez em 2004. A Figura 1 mostra a estrutura de uma camada de grafeno.

O grafeno em monocamada apresenta algumas propriedades exclusivas. Ele tem resistência à tração centenas de vezes maior do que a maioria dos aços em peso. Também tem a mais alta condutividade térmica e elétrica. Devido às excelentes propriedades do grafeno, muitos estudos e pesquisadores dedicaram atenção ao desenvolvimento de outras redes adicionais de carbono de um único átomo, como grafidieno, grafenileno e outras. O grafeno se tornou o pioneiro no desenvolvimento de materiais 2D.

Figura 1: Camada de grafeno

O que é um material 2D?

Se pensarmos em materiais em três dimensões, os materiais 2D são materiais que têm apenas uma dimensão nanométrica. Se os materiais tiverem todas as três dimensões em tamanho nanométrico, eles são materiais 0D. A Tabela 1 apresenta um resumo dos materiais de 0 a 3D [1].

Tabela 1: Materiais de 0 a 3D com exemplos

Os materiais 2D são divididos em elementos, compostos metálicos, orgânicos e sais. A Figura 2 mostra as estruturas e classificações de diferentes materiais 2D [2].

O nitreto de boro hexagonal (h-BN) é um isomorfo do grafeno (tem as mesmas microestruturas que o grafeno, mostradas na Figura 1, exceto que o carbono é substituído por boro e nitreto).

O MoS2 é um dos dicalcogenetos de metal de transição (TMDCs). A fórmula química dos TMDCs é MX2 (M é o metal de transição, como o Mn; X é o calcogênio, como S, Se e Te). Os TMDCs formam estruturas de ligação covalente de três camadas X-M-X.

Devido às suas diferentes propriedades mecânicas, elétricas e ópticas, os materiais 2D são amplamente utilizados em diferentes áreas, sobre as quais falaremos mais adiante. Vamos primeiro obter algumas informações sobre como os materiais 2D são produzidos.

Figura 2: tipos e estruturas de diferentes materiais 2D [2]

Como fazer materiais 2D?

Os materiais 2D são materiais com camadas únicas de átomos. É possível tornar os materiais em massa mais finos, assim como cortar presuntos, mas o problema não é tão fácil devido às ligações químicas de alguns materiais em 3 dimensões. A quebra dessas ligações torna as camadas finas muito instáveis e quimicamente reativas. O grafite é diferente. Como um material bidimensional, ele só tem ligações químicas fortes dentro dos planos, e cada plano se sobrepõe para formar o grafite (veja a Figura 3 [3]). Portanto, a estratégia acima pode ser usada para produzir grafeno.

Figura 3: Estrutura do grafite [3]

Há duas ideias para produzir materiais 2D: de cima para baixo e de baixo para cima.

A top-down corta materiais grandes ou em massa em um processo controlado e remove as camadas produzidas. Sua estratégia básica foi mencionada acima. A top-down pode ser dividida em esfoliações mecânicas, em fase líquida, ultrassônicas, eletroquímicas, de troca iônica e com intercalação de lítio [2].

A esfoliação de baixo para cima usa elementos atômicos ou moleculares e os "combina" para formar materiais 2D. A esfoliação de baixo para cima usa materiais menores do que os materiais 2D para produzir materiais 2D como se fossem blocos de construção. Entre os métodos de baixo para cima, há crescimento epitaxial, deposição de vapor químico (CVD), deposição de laser pulsado (PLD), métodos químicos úmidos, método assistido por ondas de rádio ou transformação topoquímica [2].

A esfoliação mecânica, a esfoliação líquida e a CVD são comumente usadas para produzir materiais 2D.

Esfoliação mecânica

A esfoliação mecânica usa uma força mecânica para separar uma camada fina ou algumas camadas finas de material de um material em massa. Normalmente, um pedaço de "fita adesiva" é usado para retirar o material em massa e coletar as camadas finas. Em todos os métodos top-down, o principal problema é superar as forças de Van der Waals entre cada camada do material em massa. Aplicando cuidadosamente a força normal e a força lateral durante o processo de descascamento, ainda é possível produzir materiais 2D de alta qualidade por esfoliação mecânica. Mas a baixa eficiência e o rendimento são os principais problemas da esfoliação mecânica.

Esfoliação líquida

A esfoliação líquida pode cobrir essas desvantagens da esfoliação mecânica usando um solvente orgânico como intermediário para transportar a força mecânica para o material em massa, e a sonicação fornece tensão de tração a cada camada, o que separa cada camada. Entretanto, os materiais 2D produzidos por esfoliação líquida podem ter resíduos de solvente orgânico, o que faz com que os materiais 2D não sejam adequados para algumas aplicações ópticas.

Deposição de vapor químico

A deposição química de vapor (CVD) pode produzir materiais 2D de alta qualidade e eficiência em tamanhos controlados. Em um forno aquecido, um ou vários gases precursores que contêm elementos atômicos ou moleculares atingem um substrato e os materiais 2D crescem sobre ele. A CVD é aplicada com sucesso para produzir grafeno e TMDCs. As pressões de gás, a temperatura, o tempo de reação etc. desempenham papéis importantes na qualidade, na espessura e na composição do material 2D.

Por que usar material 2D e sua aplicação

Vantagens do material 2D

Em comparação com o material em massa, o material 2D não tem forças de Van der Waals devido à sua estrutura de camada única. As forças de Van der Waals são interações dependentes da distância entre átomos ou moléculas. Se o material não conseguir superar as forças de Van der Waals quando for estressado, ele se quebrará... A ligação covalente compartilha elétrons entre si, o que significa manter forte a relação entre a área da superfície e o volume dos átomos. Os materiais 2D não têm forças de van der Waals, mas apenas ligações covalentes, exibindo, portanto, uma resistência à tração extremamente forte. O grafeno é o material que tem a maior resistência à tração na natureza.

A estrutura de camada única do material 2D lhe confere uma relação área de superfície/volume relativamente alta. Ele pode entrar em contato com mais reagentes para realizar reações mais rápidas. O material 2D também apresenta boas propriedades eletrônicas e ópticas porque a redução da periodicidade na direção perpendicular ao plano altera a estrutura da banda.

Aplicações de materiais 2D

Os materiais 2D são amplamente usados em transistores, fotodetectores, semicondutores, capacitores, memristores e muitas outras aplicações.

O óxido de grafeno é frequentemente usado para fazer compostos de fibras, filmes ou estruturas 3D devido à sua suprema dispersibilidade. Ao combinar 50% de óxido de grafeno com 50% de nanofibrilas de celulose (CNF), o aerogel preparado apresenta maior resistência e rigidez do que o aerogel de CNF puro [2].

A alta relação área de superfície/volume dografeno reduz a inflamabilidade dos gases [2]. Isso torna o grafeno um aditivo para aumentar a resistência à inflamabilidade de compostos poliméricos e outros materiais. O grafeno também apresenta bom desempenho em memristores devido à sua alta condutividade elétrica, estabilidade química e alta mobilidade de portadores. Ele assume boa responsabilidade na comutação resistiva em condições de alta velocidade e longa duração. Os TMDCs, BN ou BP também podem ser usados em memristores.

Os TMDCs(_MoS2, _WSe2, _WS2) são amplamente usados em transistores de efeito de campo (FETs), que são os elementos mais importantes da eletrônica. A boa mobilidade de carga e os intervalos de banda moderados dos TMDCs os tornam adequados para aplicações de FET [2].

As excelentes propriedades dielétricas do filme de h-BN permitem a combinação de h-BN/Ge/metal em capacitores.

Há muitas aplicações e materiais 2D que não foram mencionados. A Stanford Advanced Materials (SAM) oferece diferentes tipos de materiais 2D. Se quiser obter mais informações sobre materiais 2D, forneça suas informações de aplicação à nossa equipe técnica para obter orientação.

Referência

1. Materiais 2D: Uma introdução aos materiais bidimensionais. Ossila. (n.d.). Recuperado em 28 de janeiro de 2023, de https://www.ossila.com/en-us/pages/introduction-2d-materials
2. Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & Das, O. (s.d.). A review of the synthesis, properties, and applications of 2D materials (Uma revisão da síntese, propriedades e aplicações de materiais 2D). A Review of the Synthesis, Properties, and Applications of 2D Materials (Uma revisão da síntese, propriedades e aplicações de materiais 2D). Recuperado em 29 de janeiro de 2023, de https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031
3. Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & Das, O. (n.d.). A review of the synthesis, properties, and applications of 2D materials (Uma revisão da síntese, propriedades e aplicações de materiais 2D). A Review of the Synthesis, Properties, and Applications of 2D Materials (Uma revisão da síntese, propriedades e aplicações de materiais 2D). Recuperado em 29 de janeiro de 2023, de https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031