Giriş: Katmanlı Malzeme Şekilleri Alt Kuvveti

Güçlü malzemeler düşündüğümüzde, genellikle çok daha zayıf bir etkileşimden en ayırt edici özelliklerini anlıyoruz: Van der Waals güçleri, atom tabakaları arasındaki boşluklar, nasıl tabakalanmış kristaller, hexagonal boron nitride – kimyasal ortamlara cevap vermek.

Van der Waals kuvvetleri, bir katman içinde atomları bir arada tutan eşdeğer veya iyonik bağlardan temel olarak farklıdır.Bu eşsiz denge, elektron yoğunluğundaki geçici dalgalanmalardan kaynaklanır, komşu atomlarda karşıt diyalleri tetikleyen geçici dipoller yaratır.

Van der Waals Kuvvetleri Anlamak

Origins and Type

Van der Waals güçleri, Hollanda bilim adamı Johannes Diderik van der Waals'in ardından, 1873 yılında, ilk olarak ideal gaz kanunundan sapmaları önermiştir.

  • [FONT:0)Keezo güçleri [Dön-dipol etkileşimleri) - kalıcı dipol anlarla moleküller arasında meydana gelir.Bir dipolen olumlu sonu başka bir olumsuz son alır.
  • [FONT:0]Debye güçleri [DDDÜT:1] (dipole-indükli dipole) - yakın bir molekülün kutuplaşmasında, bir indüklenmiş dipolasyon yaratır.
  • [FONT=0)London dağıtım güçleri [Dönetici:0)[Dönetici:0)[Döneticileri ve moleküllerin tümü, elektron dağıtımlarında bile geçici bir dipolasyonlar oluştururlar, bu da bir komşuda bir dipollozet kristalleri egemendir.

Mekanik kristal yapılarda, Londra dağıtım güçleri baskın rolü oynar çünkü tabakalar genellikle hexagonal boron nitride tabakaları arasındaki birim başına daha güçlü bir şekilde çekim yapar. Örneğin, Van der Waals çekimini daha yüksek kutuplu atomların kutupluluğu nedeniyle.

Van der Waals Katılarda Etkileşimler

Van der Waals ile ilgili enerji, tabakalı malzemelerde tipik olarak 10-100 meV'den atom çiftine kadar, eşdeğer bağ enerjilerinden çok daha küçük (bir tabaka arayüzündeki muazzam sayıda atomu çoğaltırken, örneğin, atomik kuvvet mikroskobu gibi teknikler önemli ölçüde önemlidir ve Van der Waals düzeltmeleri ile yüzeysel yoğunluklar analizleri araştırmacıların bu güçleri ölçmek için izin verir.

Van der Waals kuvvetlerinin kısa menzilli olduğunu, mesafe altıncı gücü olarak çürütüğünü not etmek de önemlidir. Bu, katmanların arasında bile dramatik bir şekilde bağlantı gücünü azalttığı anlamına gelir.

Katmanlı Kristal Yapılar: Weak Bonds'un Bir Evreni

Bir tabakalı kristal, atomların iki boyutlu çarşaflar içinde güçlü bir şekilde bağlandığı ve bu çarşaflar çoğunlukla Van der Waals'in arasında çok daha zayıf bir bağ olduğu bir şeydir.

Grafik: Quintessential Katmaned Material

Grafit, grafik tabakalarının yığınlarından oluşur, ancak Van der Waals güçleri birlikte yığınağı tutar.Bu zayıf interkatli bağlar grafiksel ve kaygan bir tabakadaki karbon-karbon bağlar en güçlü bilinenler arasında, her olağanüstü tabakaların yağdırmasıyla bir araya gelir.

Filtrelemenin ötesinde, Interkatman güçlerinin zayıflığı mekanik exfoliasyon sağlar.Sadece bir grafik parçası yapıştırıcı kasetli kasetle soyulursa, biri Geim ve Novoselov'u 2010 yılında Fizikte kazandı. ek olarak - Wikipedia[Dönemli) Van der Waals enerji manzarasını doğrudan yansıtabilir:

Transition Metal Dichalcogenides (TMDs)

Geçiş metal dichalcogenides, molybdenum disulfide (MoS2) ve TIP diselenide (WSe2) gibi, MoS2'de her katman, iki plakalı atomlar arasında bir uçak oluşur ve tabakadaki güçlü kovalent bağlar ve Van der Waals kuvvetleri, MoS2, MoS2, MoS2'nin farklı grafikler arasında değişen bir banta sahiptir.

Interkat Van der Waals TMD'lerde güçler, daha ağır atomlar (Mo, W, S, Se) ve yüksek kutuplu güçlerin temel rolü, mekanik ayrılıklara izin verirken, daha agresif yöntemler gerektirir.

Hexagonal Boron Nide (h-BN)

Hexagonal boron nitride, bir tabakalı malzeme yapısal olarak grafikte biraz daha zayıftır, çünkü daha az kutuplu atomlar ve biraz daha büyük bir iç içe geçerler (~3.3 Å vs. ~3.35 Å for grafiklerite). h-BN, atomik bir elektriktir, kimyasal olarak sabit bir şekilde sabitlenir ve ısıtılır.

Mekanik olarak eski h-BN'nin monokatmanlara indirilmesi yeteneği, grafik cihazlar için bir dielektrik substratı olarak açıldı. Van der Waals epitaxy of h-BN diğer katmanlı malzemelerde büyüyen bir araştırma alanıdır, heteroyapıların inşasına atomik olarak keskin arayüzler sağlar.

Diğer Notable Katmanlı Malzemeler

  • [FONT:0] Siyah fosforlar[[Dönetici:0] – bir tabakanın tümotrope of phosphorus, yüksek taşıyıcı ve anisotropic elektronik özellikler ile 2D malzeme.
  • [FONT:0)Mica[DÜDÜT:1) - bir silikat mineralleri mükemmel bazal cleavage ile mükemmel bir şekilde, ultratin çarşaflarının hazırlanmasına izin veren.Mica'daki iç içe dönük kuvvetler kısmen Van der Waals ve kısmen elektrostatik (parçalar arasındaki iyonlar), ancak genel zayıf adhesion, kapasitörler ve pencerelerde kullanılan külotlar için gereklidir.
  • [FONT:0]Clays ve tabakalı çift hidroxides[[Dönetici: 1) Bu doğal olarak meydana gelen veya sentetik malzemeler Van der Waals kuvvetleri ve Interkat iyonları tarafından birlikte gerçekleştirilen tabakalar vardır.

Materyal Davranışları için Örnekler

Mekanik Özellikler: Flexability, Cleavage ve Pumpion

Zayıf Van der Waals, katmanlar arasındaki bağ doğrudan mekanik davranışları yönetir. Katmanlı kristaller son derece anisotropiktir: Onlar tabaka düzleminde sert ve güçlüdür (pubriciyonlar için ortaya çıkabilir) ancak çok düşük sürtünme ile birbirlerini kolayca terk edebilir, Van der Waals yağlarda sadece yeterince çekim sağlar - çizilir ve MoS2 yüksek sıcaklık ve vakum ortamlarda yaygın olarak kullanılır.

Esneklik açısından, tek tabakalar oldukça bükülebilir. Grafikten bir monokatlı, tam olarak kırılmadan kağıt gibi katlanabilir, çünkü uçak tahvilleri çok güçlü. Van der Waals ile katmanlar arasında birkaç katmanlı bir yığınlariyaliz arasındaki kuvvetler, katlanarak ve rotasyona da izin verir; süperlubrik malzemeler gibi fenomenlere yol açar[değiştir | kaynağı değiştir].

Exfoliation ve 2D Malzemenin Yükselişi

Van der Waals tabakasının tasviri, yapıştırıcı güçlerinin parçalanmasının mümkün olduğu kadar zayıf olduğu için çalışır. Mekanik exfoliasyon (Scotch kaseti) sadece Van der Waals etkileşimi ile çalışır, çünkü interkatman gücü ile birlikte malzemeler daha güçlü bir şekilde ortadan kalkmaktadır (örneğin, bazı TMD’ler) alternatif yöntemlerin geliştirilmesini gerektirir:

  • [FONT:0]Liquid-fay exfoliation) - katı malzeme katmanların yüzey enerjisini eşleşen bir çözücüde, Interkat Van der Waals cazibesini zayıflatır ve tek veya birkaç katmanlı flakes.
  • [FONT=0]Ion intercalation[[Dönetici:0)[Döneticiler, tabakalar arasında yer alıyor, Van der Waals kuvvetlerini büyük ölçüde azaltıyor, MoS2 ve WS2 monokatlarını endüstriyel ölçekte üretmek için temel.
  • [FONT:0]Electrokimyasal exfoliasyon[Döntgen: 1) - Interkata zeminlere ulasmak için uygulanan bir gerilim kullanarak, katmanları ayrı tutan gaz balonları yaratıyor.

Monokatlilerin ayrı ayrı ayrı ayrıklığa sahip olması, her yeni 2D materyali eşsiz elektronik, optik veya mekanik özellikler getiriyor ve farklı katmanlar arasındaki zayıf Van der Waals kuvvetleri, disimilar materyallerin yığınlarının (heteroyapıların) kırılmasına izin veriyor. Bu Van der Waals heteroyapılarının kavramı, yeni kuantum fenomenleri incelemek ve atomik olarak ince cihazlar inşa etmek için güçlü bir platform haline geldi.

Elektrik ve Termal Ulaşım

Katmanlı malzemelerde, zayıf iç içekleme iletkenliği üzerinde derin etkilere sahiptir. Örneğin, büyük grafikler yarı metaldir, çünkü zayıf Van der Waals grafiğin katmanları arasındaki etkileşim, küçük bir kanal ve iletim bandına yol açar.In exfoliated to a single floor, Graphics cones ile sıfır-gap yarı iletken olur.In contrast, MoS2 is an dolaylı bandgap twin, but the monokat becomes a direct bandgap twin because to the reduce-s a singlelayer.

Termal iletkenlik ayrıca yüksek anisotropy'yi gösterir.In-plane termal iletkenlik grafikte kullanılır (Bırklı 3000 W /m·K), çapraz iletkenlik, Van der Waals boşlukları boyunca transfer edilirken, bu anisotropy, katlanmış malzemeler uçaktaki ısıyı sabit bir şekilde yönlendirebilir.

Kimyasal Reaktivite ve Intercalation

Van der Waals kristalleri arasındaki iç içe geçmiş uzaylar, özellikle de yabancı atomlar veya moleküllere ev sahipliği yapabilecek nano ölçekli galerilerdir. Bu işlem, intercalasyon olarak bilinen, elektronik özellikleri ile dramatik bir şekilde değişiyor.

Katman kenarlarının yeniden aktivitesi (tavaffak tahvillerin var) basal uçağa karşı ( Van der Waals kuvvetleri hükmedecek) aynı zamanda birçok katalitik reaksiyon, MoS2 gibi tabakalı katalizörler halinde, zayıf interkatli bağlayıcının ortaya çıkmasına izin veriyor.

Uygulamaları Van der Waals Interactions tarafından Sürücüler

Solid Lubricants

Düşük Interkatli hear grafiklerin gücü ve MoS2, onları mükemmel sağlam yağlar yapar, özellikle de sıvı yağların kullanılmadığı ortamlarda (yüksek vakum, yüksek sıcaklık veya yüksek basınç) Van der Waals güçleri, yağdırıcı filmlerin kayma yüzeylerine bağlı olmasını sağlarken, zayıf Interkat bağının kayma uçaklarının göreceli hareketlere uymasını sağlar. Molybdenum disulfide özellikle de vakum ve uzay uygulamalarında etkilidir.

Enerji Depolama ve Dönüşüm

Lityum-iyon aküleri, bir sonraki nesil bataryalar ve süper kapasitetörler olarak kullanılan TMD'lere geri dönmeleri için tabakaları bir araya getirmek için yeterince güçlü olmalıdır.

Elektronik ve Optoelektronik

Van der Waals heteroyapıları – sadece Van der Waals kuvvetleri tarafından düzenlenen farklı 2D materyallerin tadını çıkarır – arayüze sahip cihazlar tasarımı (örneğin Van der Waals epitaxy) sonuçları yüksek mobilite ve düşük arabirim tuzakları ile sonuçlanır.

Nanocompositler ve Kaplamalar

Küçük tabakalı malzemeler polimerlere veya seramiklere ek olarak mekanik güç, termal istikrar ve bariyer özelliklerini dramatik bir şekilde geliştirebilir. Van der Waals, katmanların arasındaki güç ve matris dağılımını belirler. Graphene ve h-BN nanokompositlerde takviye olarak kullanılır, zayıf tabaka etkileşimlerin eklenme ve dağıtmasına izin verir.

Sonuç: Weak Kuvvetlerinin Sonucu

Van der Waals kuvvetleri genellikle zayıf olarak tanımlanır, ancak kolektif eylemlerin en gelişmiş kuantum yapıları ile ilgili en iyi şekilde yapılması gerekir.Bu güçler, hangi katmanların kaydırıldığı, iki boyutlu malzemelere yönelik olarak, Van der Waals etkileşimlerinin içilmesi ve fonksiyonel cihazlar arasındaki elektronik darbeler için önemlidir. nanoteknolojinin geleceği, enerji depolamanın davranışı altında, ancak esnek malzemeler üzerinde araştırmalar yapılır.