أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد

يتميز الجرافين، المكون من طبقات أحادية من ذرات الكربون، بحركية إلكترونية عالية وموصلية حرارية عالية . إحدى المشكلات المتعلقة بالجرافين هي افتقاره إلى فجوة نطاق ، مما يمثل مشكلة خاصة في الإلكترونيات الرقمية لأنه غير قادر على إيقاف تشغيل ترانزستورات تأثير المجال (FETs). ^{[ 3 ]}

يُعدّ نتريد البورون سداسي الطبقة (h-BN) عازلاً ذا فجوة طاقة عالية (5.97 إلكترون فولت). ^{[ 5 ]} ومع ذلك، يمكن أن يعمل أيضًا كشبه موصل ذي موصلية محسّنة نظرًا لحوافه الحادة المتعرجة وفراغاته. يُستخدم h-BN غالبًا كركيزة وحاجز نظرًا لخاصيته العازلة. كما يتميز h-BN بموصلية حرارية عالية. ^{[ 6 ]}

يمكن أن تُشكّل طبقات المواد ثنائية الأبعاد المترابطة بقوى فان دير فالس هياكل غير متجانسة من نوع فان دير فالس، حيث تعمل كل طبقة ذرية في آنٍ واحد ككتلة داخلية وسطح بيني. ويؤدي انتقال الشحنة بين الطبقات، والاقتران التقاربي، وإعادة بناء الشبكة الفائقة الموريهية إلى ظهور خصائص جديدة مثل نقاط ديراك الثانوية في الجرافين/نتريد البورون السداسي، وتعزيز تفاعل الدوران المداري في الجرافين المجاور لثنائي الكالكوجينيدات للمعادن الانتقالية . ^{[ 7 ]}

تُعدّ طبقات ثنائي الكالكوجينيدات الانتقالية (TMDs أو TMDCs) فئةً من المواد ثنائية الأبعاد ذات الصيغة الكيميائية MX₂ _، حيث يُمثّل M فلزات انتقالية من المجموعات الرابعة والخامسة والسادسة، بينما يُمثّل X عنصرًا من _عناصر الكالكوجين مثل الكبريت أو السيلينيوم أو التيلوريوم. [8] ومن أمثلة TMDCs: MoS₂ وMoSe₂ وMoTe₂ وWS₂ و WSe₂ . تتميّز TMDCs ببنية طبقية ، ^{حيث يفصل بين} مستويين من _ذرات الكالكوجين طبقةٌ _من ذرات _الفلز ، _كما هو موضح في الشكل 1. ترتبط كل طبقة بقوة داخل الطبقة، ولكن بروابط ضعيفة بين الطبقات. ولذلك، يُمكن فصل TMDCs بسهولة إلى طبقات رقيقة ذرية باستخدام طرق مختلفة. وتُظهر TMDCs خصائص بصرية وكهربائية تعتمد على عدد الطبقات. عند تقشيرها إلى طبقات أحادية، تتغير فجوات الطاقة في العديد من ثنائي كبريتيد المعادن الانتقالية (TMDCs) من غير مباشرة إلى مباشرة، ^{[ 9 ]} مما يفتح آفاقًا واسعة لتطبيقاتها في الإلكترونيات النانوية، ^{[ 3 ]} والإلكترونيات الضوئية ، ^{[ 10 ] [ 11 ]} والحوسبة الكمومية . ^{[ 12 ]} ورغم أن طبقات TMDC الأحادية المقشرة تُظهر خصائص إلكترونية ضوئية واعدة، إلا أنها غالبًا ما تكون محدودة بسبب العيوب الداخلية والخارجية، ^{[ 13 ]} مثل فراغات الكبريت وحدود الحبيبات، والتي قد تؤثر سلبًا على أدائها. ولمعالجة هذه المشكلات، طُوّرت تقنيات تخميل كيميائي متنوعة، بما في ذلك استخدام الأحماض الفائقة وجزيئات الثيول ، ^{[ 14 ] لتعزيز خصائص التألق الضوئي ونقل الشحنة. بالإضافة إلى ذلك، برزت هندسة الطور [ 15 ]} وهندسة الإجهاد ^{[ 16 ]} كاستراتيجيات فعّالة لزيادة تحسين الخصائص الإلكترونية لـ TMDCs، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات المتقدمة في الإلكترونيات النانوية والحوسبة الكمومية.

تُعدّ الكالكوجينيدات من المجموعة الثالثة-السادسة فئة أخرى من أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد. تتميز هذه المواد بالصيغة الكيميائية MX، حيث M فلز من المجموعة 13 (مثل Ga أو In ) وX ذرة كالكوجين ( مثل S أو Se أو Te ). ومن الأمثلة النموذجية على هذه المجموعة InSe و GaSe ، اللذان أظهرا حركية إلكترونية عالية وفجوات طاقة مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات الإلكترونية. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

يتمتع الجرافين بصلابة فائقة بفضل معامل يونغ الذي يقارب 1 تيرا باسكال ^{[ 31 ]} ، وذلك نتيجة لقوة الرابطة بين ذرات الكربون. مع ذلك، تبلغ مقاومة الجرافين للكسر حوالي 4 ميجا باسكال/متر، مما يجعله هشًا وسهل التصدع ^{[ 32 ] . وقد أظهرت المجموعة نفسها التي اكتشفت مقاومة الجرافين للكسر لاحقًا، أنه يتمتع بقدرات مذهلة على توزيع القوة، تفوق قدرة الفولاذ بعشرة أضعاف تقريبًا [ 33 ]} .

تتمتع طبقة أحادية من نتريد البورون بقوة كسر تبلغ 70.5 جيجا باسكال ومعامل يونغ يبلغ 0.865 تيرا باسكال. كما يحافظ نتريد البورون على معامل يونغ العالي وقوة الكسر مع زيادة سمكه. ^{[ 34 ]}

تُستخدم ثنائيات الكالكوجينيدات ثنائية الأبعاد للمعادن الانتقالية بكثرة في تطبيقات مثل الإلكترونيات المرنة والقابلة للتمدد، حيث يُعد فهم خصائصها الميكانيكية وتأثير التغيرات الميكانيكية على المواد أمرًا بالغ الأهمية لأداء الجهاز. تحت تأثير الإجهاد، تُغير ثنائيات الكالكوجينيدات بنية فجوة النطاق الإلكتروني في كلٍ من حالة الطبقة الأحادية ذات الفجوة المباشرة وحالة الطبقات القليلة ذات الفجوة غير المباشرة، مما يُشير إلى أن الإجهاد المُطبق يُمكن ضبطه. ^{[ 35 ]} تتميز طبقة MoS₂ الأحادية _بمعامل يونغ يبلغ 270 جيجا باسكال، مع أقصى إجهاد يصل إلى 10% قبل الخضوع. ^{[ 36 ]} بالمقارنة، تتميز طبقة MoS₂ الثنائية بمعامل يونغ يبلغ 200 جيجا باسكال، يُعزى إلى الانزلاق بين الطبقات. ^{[ 36 ]} مع زيادة عدد الطبقات، يتلاشى تأثير الانزلاق بين الطبقات أمام صلابة الانحناء، حيث يبلغ معامل يونغ 330 جيجا باسكال. ^{[ 37 ]}

تنبأت دراسات نظرية بإمكانية التحكم في تهجين حواف نطاقات الطاقة في بعض البنى غير المتجانسة من نوع فان دير فالس عبر المجالات الكهربائية، واقترحت استخدامها في أجهزة البت الكمومي، مع الأخذ في الاعتبار الطبقة الثنائية غير المتجانسة ZrSe₂ _/ SnSe₂ _كمثال . ^{[ 12 ]} وقد أكدت دراسات تجريبية لاحقة هذه التنبؤات في حالة الطبقة الثنائية غير المتجانسة _MoS₂ / _WS₂ . ^{[ 40 ]}

تُعدّ المواد المغناطيسية ثنائية الأبعاد ذات الطبقات لبنات بناء جذابة للأنظمة النانوية الكهروميكانيكية (NEMS): فبينما تشترك مع غيرها من المواد ثنائية الأبعاد في صلابة وقوة عاليتين وكتلة منخفضة، إلا أنها نشطة مغناطيسيًا. ومن بين فئة واسعة من المواد المغناطيسية ثنائية الأبعاد ذات الطبقات التي ظهرت حديثًا، يبرز مركب CrI3 قليل الطبقات، الذي تتكون حالته المغناطيسية الأساسية من طبقات أحادية مغناطيسية حديدية (FM) مقترنة مغناطيسيًا مضادًا، ذات محور مغناطيسي سهل خارج المستوى. ويكون تفاعل التبادل بين الطبقات ضعيفًا نسبيًا، إذ يمكن لمجال مغناطيسي في حدود 0.5 تسلا في الاتجاه خارج المستوى (𝒛) أن يُحدث انتقالًا في حالة الدوران المغزلي في مركب CrI3 ثنائي الطبقات. وقد تم مؤخرًا إثبات ظواهر ومفاهيم أجهزة رائعة تعتمد على كشف حالة الدوران المغزلي والتحكم بها، بما في ذلك المقاومة المغناطيسية العملاقة لمرشح الدوران المغزلي، والتبديل المغناطيسي بواسطة المجال الكهربائي أو التطعيم الكهروستاتيكي ، وترانزستورات الدوران المغزلي. ومع ذلك، فإن الترابط بين الخصائص المغناطيسية والميكانيكية في المواد الرقيقة على المستوى الذري، وهو أساس أنظمة النانو المغناطيسية ثنائية الأبعاد، لا يزال غامضًا على الرغم من دراسة أنظمة النانو المصنوعة من مواد مغناطيسية أكثر سمكًا أو المطلية بمعادن مغناطيسية حديدية.