Особенности оптических свойств двумерных материалов при ковалентном и ван-дер-ваальсовом связываниях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Токсумаков Адилет Нурланбекович

• Токсумаков Адилет Нурланбекович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Токсумаков Адилет Нурланбекович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ДВУМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. ДВУМЕРНЫЕ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1.1. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ГРАФЕНА

1.1.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ГРАФЕНА

1.1.3. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРАФЕНА

1.2. ДВУМЕРНЫЕ НЕ-ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.2.1. СТРУКТУРА НЕ-ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВОГО ГЕМАТЕНА

1.2.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ГЕМАТЕНА

1.2.3. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕМАТЕНА

1.3. ДВУМЕРНЫЕ ГИПОТЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

1.3.1. СТРУКТУРА И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ПЕНТА-ГРАФЕНА

1.3.2. СТАБИЛЬНОСТЬ ПЕНТА-ГРАФЕНА

1.4. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДВУМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.4.1. ПОДХОД СИНТЕЗА ДВУМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ «СНИЗУ -ВВЕРХ»

1.4.2. МЕТОД СИНТЕЗА ДВУМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ «СВЕРХУ-ВНИЗ»

1.5. МЕТОДЫ СБОРКИ ВАН- ДЕР-ВААЛЬСОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР42

1.5.1. МЕТОД ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО ПЕРЕНОСА

1.5.2. МЕТОД ПЕРЕНОСА В ЖИДКОЙ ФАЗЕ

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1. МАТЕРИАЛЫ

50

2.2. ХАРКТЕРИЗАЦИЯ ОБРАЗЦОВ

2.3. МИКРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОТЩЕПЛЕНИЕ

2.4. МЕТОД ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО СУХОГО ПЕРЕНОСА

2.5. ВИЗУАЛИЗИРУЩАЯ ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ

2.6. ТЕОРИЯ ФУНКЦИОНАЛА ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛОТНОСТИ

ГЛАВА 3. ОПТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДВУМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫХ СВЯЗЫВАНИЯХ

3.1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОТКЛИК ГРАФЕНА НА ПОДЛОЖКАХ РАЗНЫХ ТИПОВ

3.2. ОПТИЧЕСКОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ГРАФЕНА

3.3. ВЛИЯНИЕ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ГРАФЕНОМ И ГЕКСАГОНАЛЬНЫМ НИТРИДОМ БОРА НА ОПТИЧЕСКИЙ ОТКЛИК

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДВУМЕРНЫХ НЕ-ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. СТРУКТУРА 1пОаБз

4.2. ОТЩЕПЛЕНИЕ НЕ-ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВОГО 1пОа8з

4.3. ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ДВУМЕРНОГО 1пОа8з

4.4. РАСЧЕТ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ 1пОа8з

4.5. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 1пОа8з

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 5. ОПТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДВУМЕРНЫХ ГИПОТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

5.1. СТРУКТУРА ДВУМЕРНЫХ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ ПЕНТА-ГРАФЕНА И

УГЛЕРОДА Т12

5.2. СТАБИЛЬНОСТЬ ДВУМЕРНЫХ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ ПЕНТА-ГРАФЕНА И УГЛЕРОДА Т12

5.3. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ДВУМЕРНЫХ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ ПЕНТА-ГРАФЕНА И УГЛЕРОДА Т12

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности оптических свойств двумерных материалов при ковалентном и ван-дер-ваальсовом связываниях»

Актуальность работы

В эпоху непрерывных технологических инноваций одну из важнейших ролей начинают играть двумерные (2D) материалы, обладающие уникальными физическими и химическими свойствами, которые новые открывают технологические горизонты в различных областях науки и техники. Особый интерес представляют исследования оптических свойств этих материалов, которые напрямую связаны с типами химических связей в их структуре. Ковалентные и ван-дер-ваальсовые (вдв) связи, формирующие структуру 2D-материалов, оказывают значительное влияние на их оптические характеристики, такие как поглощение, отражение, преломление и нелинейные оптические эффекты.

Вдв связи, характеризующиеся слабыми взаимодействиями между атомами или молекулами, являются доминирующими в таких материалах, как графен, гексагональный нитрид бора, фосфорен и других слоистых структурах. Такие связи придают материалам высокую подвижность носителей заряда и оптическую прозрачность в определенных диапазонах, что делает их перспективными кандидатами для применения в электронике и фотонике. Также ван-дер-ваальсовые связи обеспечивают возможность создания гетероструктур путем укладки различных 2D-материалов друг на друга без необходимости согласования их кристаллических решеток, что открывает путь к новым функциональным устройствам и системам.

С другой стороны, ковалентные связи, обусловленные обменом или делокализацией электронов между атомами, приводят к формированию сильно связанных структур. Эти связи присущи новым синтезированным 2 Б-материалам, обладающим повышенной термической стабильностью и механической прочностью. Ковалентные связи позволяют значительно расширить функциональные возможности 2D-материалов, делая их пригодными для

использования порой в более широком спектре приложений по сравнению с их ван-дер-ваальсовыми аналогами.

Разнообразие оптических особенностей, обусловленных различием в типах химических связей, ставит перед научным сообществом задачу глубокого понимания этих процессов. Изучение взаимосвязи между структурой и оптическими свойствами 2D-материалов является ключевым для разработки новых оптоэлектронных устройств, таких как высокочувствительные фотодетекторы, эффективные светоизлучающие диоды, лазеры нового поколения и улучшенные солнечные элементы. Также это знание необходимо для создания новых материалов с заранее заданными оптическими характеристиками, что открывает двери для индивидуализированных технологических решений в различных областях.

Данная работа посвящена исследованию оптических свойств двумерных материалов с учетом их структурных особенностей и типов химических связей. Особое внимание уделяется анализу влияния ковалентных и ван-дер-ваальсовых связей на оптические характеристики этих материалов. Работа направлена на выявление новых закономерностей и механизмов, которые могут быть использованы для управления и оптимизации оптических свойств 2D-материалов с целью их эффективного применения в современных технологиях.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является изучение особенностей оптических свойств двумерных структур при ван-дер-ваальсовом и ковалентном типах связываниях, на примере не-ван-дер-ваальсового ЛпОаБз, ван-дер-ваальсовых гетероструктур графен/hBN, не-ван-дер-ваальсовых и ван-дер-ваальсовых бислойных соединений на основе пента-графена с помощью современных экспериментальных и вычислительных методов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Сборка ван-дер-ваальсовых гетероструктур на основе двумерных структур, таких как графен и hBN, а также сравнение с графеном на подложках из SiO2/Si;

• Исследование особенностей оптических свойств графена на подложках из hBN и SiO2/Si;

• Анализ изменения оптических свойств графена, расположенного на hBN в зависимости от расстояния при помощи численных квантово-химических методов;

• Исследование отщепления и структура двумерного InGaS3 при помощи численных квантово-химических;

• Получение отщепленного InGaS3;

• Особенности оптических свойств двумерного и объемного InGaS3;

• Поиск возможных стабилизации двумерной гипотетической структуры пента-графена путем различной послойной укладки структур друг на друга при помощи численных квантово-химических методов;

• Исследование энергетической, термической и динамической стабильностей предложенных ван-дер-ваальсовых и не-ван-дер-ваальсовых структур на основе фазы Т12 и пента-графена при помощи квантово-химических методов расчета;

• Исследование изменения оптических свойств новых предложенных двумерных структур в зависимости от типа связывания между слоями (ван-дер-ваальсовое, ковалентное) при помощи квантово-химических методов расчета.

Научная новизна работы

Результаты и эффекты, перечисленные ниже, были предсказаны и получены впервые:

• Исследовано влияния подложки из кристалла hBN на оптические свойства графена;

• Продемонстрирован и описан эффект увеличения (на 60%) поглощения света графеном на подложках из кристалла hBN по сравнению с расположением на других подложках (стекло, кварц,

• Гексагональная кристаллическая решетка 1пОаБз;

• Экспериментальными и численными квантовохимическими методами изучен процесс отщепления не-ван-дер-ваальсового 1пОаБз;

• Проведено всестороннее исследование структурных и оптических свойств 1пОаБз;

• Показан эффект стабильности спектров комбинационного рассеяния 1пОа8з вне зависимости от толщины отщепленных структур, энергия экситоной связи Eb = 60 мэВ, анизотропия Дп = 0.1;

• Предсказан и изучен эффект стабилизации атомной структуры пента-графена через образование ковалентно связанных двуслойных структур;

• Исследовано изменение оптических свойств двуслойных структур на основе пента-графена и фазы Т12 при ван-дер-ваальсовом и ковалентном связывании между слоями, поглощение при ковалетном связывании происходит в диапазоне более узком на 0.7 эВ и 0.5 эВ чем при ван-дер-ваальсовом в упаковках ЛЛ', AB' соответственно.

Основные методы исследования

В работе использовалось компьютерное моделирование в программном пакете УЛБР. Для экспериментальных исследований использовались следующие техники: механическое отщепление слоистых и ковалентных кристаллов; метод сухого переноса двумерных материалов; спектральная эллипсометрия; атомно-силовая и оптическая микроскопии; спектроскопия пропускания света; спектроскопия комбинационного рассеяния; рентгеноструктурный анализ; просвечивающая электронная микроскопия.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Ван-дер-ваальсовое связывание однослойного графена с гексагональным нитридом бора приводит к увеличению оптического поглощения графена (на 60%);

2. Не-ван-дер-ваальсовый InGaS3 обладает широкой запрещенной зоной (2.7 эВ), высоким показателем преломления (> 2.5) и нулевым поглощением в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, а также анизотропией показателя преломления 0.1;

3. Образование ковалентного связывания между слоями пента-графена приводят к стабилизации полученной двуслойной структуры и увеличению диапазона оптического поглощения (на 0.6 эВ).

Научная и практическая значимость работы

Предложенный метод предсказания возможного способа механического отщепления ковалентных кристаллов представляет интерес для исследований двумерных материалов и открывает возможность дополнить список расслаиваемых материалов семейством ковалентных кристаллов. Помимо этого, обнаружено, что гексагональный 2D-InGaS3 имеет широкий диапазон пропускания (от 485 нм) и при этом имеет высокий показатель преломления (более 2.5), что делает его перспективным кандидатом для применения в области диэлектрической нанофотоники. Также показано, что графен обладает более высоким коэффициентом поглощения на подложках из гексагонального нитрида бора (на 60%) по сравнению с образцами на других подложках: стекло, кварц, SiO2/Si. Данный эффект делает графен применимым для областей, где поглощение играет ключевую роль, таких как фотодетектирование и модулирование. На основе гипотетического материала - пента-графена продемонстрирован способ стабилизации двумерных слоев, связанных как ван-дер-ваальсовыми связями, так и ковалентными. Полученные результаты демонстрируют возможность синтеза и дальнейшего использования новых двумерных материалов, считавшихся

нестабильными. Показаны изменения оптических и электронных свойств в зависимости от типа стабилизации. Результаты исследования демонстрируют перспективность и приоритетность использования численных методов моделирования в исследования стабильности атомной структуры и физико -химических свойств новых наноструктур.

Апробация работы

Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на 9 профильных российских и 1 международных конференциях.

Публикации автора по теме диссертации

По материалам диссертации опубликовано 9 статей в зарубежных и отечественных журналах, входящих в базы цитирования Scopus, в 4 из которых соискатель является первым автором. В 1 публикации вклад первого автора и соискателя одинаковый.

Личный вклад соискателя

Все основные результаты диссертации получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Соискателем проведено получение и сборка образцов, обработка и интерпретация всех экспериментальных данных. Автором также осуществлялись расчеты методами компьютерного моделирования и обоснование полученных результатов. Соискатель принимал активное участие во всех стадиях выполнения работ: постановка задачи, подготовка образцов, измерения, обработка данных, презентация результатов и написание статей.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она изложена на 127 страницах машинописного текста, включает 41 рисунок и 1 таблицу. Список литературы насчитывает 275 наименований.

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ДВУМЕРНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

В данной главе описываются двумерные наноструктуры, полученные из кристаллов с ван-дер-ваальсовым с не-ван-дер-ваальсовым соединением между слоями. Обобщаются сведения о способах получения двумерных структур и методах сборки ван-дер-ваальсовых гетероструктур на их основе и об особенности их электронных и оптических свойств. Среди двумерных материалов в этой главе также описываются структура и свойства гипотетического двумерного материала - пента-графен. Также (указать что примеры рассматриваются графен, гематен, пента-графен)

1.1. ДВУМЕРНЫЕ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Ван-дер-ваальсовые материалы (вдв) — это класс материалов, у которых молекулы или атомы удерживаются вместе ван-дер-ваальсовыми силами - слабыми электростатическими взаимодействиями. Эти материалы часто имеют слоистую структуру, позволяющую легко отделять отдельные слои, как, например, в графите и кристаллах дихалькогенидов переходных металлов. Они привлекают внимание в научных исследованиях из-за их уникальных электронных, оптических и механических свойств1,2. Широкую популярность данный класс материалов обрел во многом благодаря открытию первого двумерного материала - графена, который удалось получить из графита, представляющего собой вдв кристалл3. Графен является одним из наиболее широко исследуемых представителей двумерных материалов ввиду его уникальных электронных особенностей, которые обусловлены его кристаллической структурой.

1.1.1. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ГРАФЕНА

Углерод представляет собой химический элемент, который обладает разнообразием аллотропных модификаций4-6. Одной из наиболее известных и широко изучаемых аллотропных форм углерода является графен3. Графен является монослоем атомов углерода, извлеченным из структуры графита, при этом каждый атом углерода обладает Бр2-гибридизацией

Идеальный графен — это моноатомный слой графита, образующий гексагональную структуру, часто упоминаемую как структура "пчелиных сот". Межатомное расстояние в графене приблизительно равно 0.142 нм, в то время как толщина данного слоя достигает ~0.35 нм7. В структуре графена каждый атом углерода образует крепкие о-связи с тремя своими непосредственными соседями посредством sp2-гибридизации орбиталей. Элементарная ячейка графена содержит два атома углерода: А и В (см. рисунок 1.1 (а)).

Рисунок 1.1. (а) Распределение атомов А и В в элементарной ячейке графена. а1, а2 - векторы трансляции решетки графена. (Ь) Соответствующая зона

Бриллюэна. Рисунок заимствован из книги8.

Графен обладает привлекательными механическими, тепловыми и электрическими характеристиками. Сильные ковалентные связи между атомами углерода придают

ему высокую механическую прочность и упругость. Также электронная структура графена, в частности зонная структура, ответственная за высокую подвижность электронов, делает его выдающимся материалом для электронных приложений3.

1.1.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ГРАФЕНА

Графен состоит из одноатомного слоя углерода, атомы которого образуют гексагональную решетку. Эта структура порождает особые электронные свойства за счет формирования "совершенных" п-связей между атомами углерода. Электроны в этих связях, известные как п-электроны, могут свободно перемещаться по всему слою, что способствует его высокой электропроводности. Графен обладает уникальной электронной зонной структурой, которая обуславливает его физические свойства.

На рисунке 1.2 показана электронная зонная структура графена. В его кристаллической решетке, состоящей из гексагональных ячеек, каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами с помощью о-связей, формируя плоскую структуру. Четвертый валентный электрон атома углерода остается на pz-орбитали, которая перекрывается с pz-орбиталями соседних атомов углерода, создавая делокализованные п-электроны над и под плоскостью графена. Такое состояние состояние п-электронов приводит к формированию п и п* зон, которые характеризуются линейной дисперсией вблизи точек ^ ^ в зоне Бриллюэна, которые называются точками Дирака. В этих точках валентная зона (п) и зона проводимости (п*) пересекаются, делая графен полуметаллом с нулевой запрещенной зоной. В этих точках энергия электронов линейно зависит от их импульса, что нехарактерно для обычных полупроводников и металлов, где зависимость обычно квадратичная. Это означает, что электроны в графене ведут себя как безмассовые частицы, их поведение описывается уравнениями Дирака для квазирелятивистских частиц. Такая линейная дисперсия и наличие безмассовых дираковских фермионов придают графену ряд таких свойств, как рекордная

электронная подвижность9, делающая графен перспективным материалом для применения в высокоскоростной электронике и оптоэлектронике. Также графен демонстрирует высокую теплопроводность10 и малое оптическое поглощение11, что расширяет его потенциальное применение от теплоотводящих покрытий до прозрачных проводящих электродов. Отсутствие запрещенной зоны приводит к оптическому поглощению на всех длинах волн.

Рисунок 1.2. Электронная зонная структура графена. Рисунок заимствован из

о

книги8.

1.1.3. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРАФЕНА

В то же время оптические свойства графена на стандартных подложках, таких как кварц и различные стекла, были тщательно исследованы методами спектроскопии пропускания12 и спектроскопической эллипсометрии11,13-18. Стоит отметить, что в работах применяются различные эллипсометрические модели и исходные предположения. К примеру, при анализе оптических свойств в работах учитывается адсорбция воды17,19-21 и остатков полимера13,17 на графене, используемом для переноса как СУО, так и расслоенного графена.

Несмотря на неидентичные подходы и сами образцы графена (расслоенного или химически осажденного из газовой фазы), все работы сходятся в результатах об

универсальном значении поглощения, которое определяется его постоянной

е2

тонкой структуры а = — . Тем не менее, в нескольких работах22-25 исследуются

йс

физические оптоэлектронные свойства гетероструктур графен/ЬБК при различных углах выравнивания и различном допировании. Однако, поведение постоянной тонкой структуры графена при условии влияния диэлектрического окружения, создаваемым ИБК, остается не исследованным.

Полученные результаты по исследованию оптических свойств графена приведены на рисунке 1.3. Для более корректного сравнения в данном случае рассматриваются исследования механически отщепленного графена.

Рисунок 1.3. Сравнение литературных данных по исследованию оптических свойств механически отщепленного графена и свойств одного слоя графена в объемном кристалле графита (кривые выделены пунктирной линией).

Более того, если обратить внимание на оптические свойства графита26 и по ним пересчитать поглощение одного слоя в объемном кристалле, то можно заметить, что кривая поглощения проходит выше значений, полученных в ранних исследованиях. Такое поведение оптических свойств графена не позволяет однозначно судить о его оптическом отклике.

1.2. ДВУМЕРНЫЕ НЕ-ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

С момента открытия графена в 2004 году, двумерные материалы стали предметом обширных научных исследований, как в фундаментальной, так и в прикладной области3. Двумерные вдв материалы ограничены в вариациях составных атомов, учитывая количество элементов, которые образуют такие структуры, либо элементарные (углерод, бор, кандидаты в группы IV и V), либо состоящие из нескольких компонентов (бориды металлов, оксиды, халькогениды и галогениды)2. К тому же, при упоре на отдельные физико-химические свойства, такие как

27 28 29

магнетизм27, каталитическая активность28, накопление энергии29, и

оптоэлектронные приложения30, ещё больше ограничивается выбор материалов.

Несмотря на относительную лёгкость отщепления вдв 2Б-материалов от объёмных аналогов, начавшуюся более двадцати лет назад31, основная проблема заключается в их недостаточной стабильности в окружающей среде32. В связи с этим, исследования не-ван-дер-ваальсовых (не-вдв) 2Б-материалов, синтезированных из объёмных аналогов, обещают открыть новые перспективы благодаря их стабильности и распространённости. Многие из широко используемых материалов, включая кремний, металлические оксиды, нитриды и сульфиды, являются не-вдв

33 34

материалами33 34, что открывает новые возможности в исследованиях в фундаментальных и прикладных направлениях.

Основные тренды, которые приводят к исследованию неслоистых материалов, показаны на рисунке 1.4.

Major milestones leading to non-layered 2D materials research

0

N.

01

a

1Л Ol ^

Thrust from Semiconductor Industry

Shockley. W. ef a/. (1947)

- Transistors (unpublished) Klasens, H. A. & Koelmans. H. (1964)

- First metal oxide thin film transistor

Synthesis, Fabrication & Metrology

i

Spear. W. E. ef al. (1975)

- Hydrogenated amorphous SI

- large-area electronics Mead-Conway VLSI design (1970s) Ruska. E. including others (1970-80s)

- Atomic resolution electron microscopy

Low-dimensional Materials & Reaching Moore Limits

Kroto, H. W. ef al. (1985)

- Fullerenes lijima, S. (1991)

- CNTs

Schulz, M. (1999)

- Thickness and dimensionality limits

+ О

о см

о À

о А

см •

о о о

"О

Road Ahead

- Quantum & emergent phenomena in niche applications

- Exploring property deviations in bulk-converted-to-20 systems

• Setting realistic goals for 20 materials

Expanding the 2D Library

Du, Z. er al. (2020)

- Converting nvdW to vdW matenals Sreepal, V. ef al. (2019)

- Converting vdW to nvdW matenals Balan, A. P. er al. (2018)

- Non-vdW exfoliation Naguib. M. ef al. (2014)

- MXenes and MAX phases

Graphene & van der Waals Heterostructures

Ponomarenko. L. A. et al. (2011)

- multilayer vdW heterostructures Dean C. R. er al. (2010)

- hBN and vdW transfer techniques Novoselov, K. S. ef al. (2004)

- Graphene

Рисунок 1.4. Основные вехи, ведущие к исследованию не-вдв 2Б-материалов.

Рисунок заимствован из статьи35.

Получение 2D-материалов из не-вдв — далеко не тривиальный подход. В отличие от вдв материалов, не-вдв материалы имеют тенденцию к терминированию поверхностных оборванных связей и образованию трехмерных структур. Сегодня, учитывая термодинамическую стабильность слоистых 2D-материалов32, существует множество способов их синтеза с использованием эффективных подходов «снизу-вверх» и «сверху-вниз»36. Однако для синтеза 2D-материалов не-вдв необходимо разработать стратегии, отклоняющиеся от термодинамического равновесия. Ф. Ван (F. Wang) и др. в своем обзоре суммировали новые достижения и успехи37. Авторам удалось осветить все основные достижения в области 2D не-вдв материалов и классифицировать их с точки зрения основных стратегий синтеза, а также приложений. Классификации с точки зрения стратегий синтеза ориентированы главным образом на процессы - как сухие, так и жидкие химические методы.

Однако до недавнего времени подход к синтезу «сверху-вниз» не был разработан. Начиная с 2018 года сообщается о получении 2D-кристаллов из не-вдв материалов путем химического и ультразвукового отщепления двумерной фазы из объемного ковалетного кристалла38-40, что привело к возобновлению исследовательского интереса среди научного сообщества.

Из-за прочной трехмерной ковалентной/ионной связи получение 2D-материалов не-вдв с помощью нисходящих подходов, таких как обычное отщепление механическими способами, маловероятно. Следовательно, большинство стратегий, используемых для синтеза 2D-материалов не-вдв, представляют собой методы «снизу-вверх», среди которых несколько методов основаны на мокрой химии, которые обеспечивают анизотропный рост ультратонких 2D-листов не-вдв, таких как самосборка, ориентированное прикрепление, ламеллярное промежуточное отщепление, 2D-темплатный синтез, топохимическая трансформация и т. д., подробное описание которых выходят за рамки интересов данной работы и могут быть найдены в других источниках37,41-43.

Однако, существует ряд работ, в которых исследователи проанализировали структуры и занялись поиском плоскостей, вдоль которых собственные изотропные ковалентные/ионные кристаллы имеют тенденцию быть нестабильными из-за очень высокой плотности разорванных связей44,45. Так, например, А. П. Балан (A. Puthirath Balan) и коллеги продемонстрировали, что даже ковалентные кристаллы могут отщепляться обычным методом жидкофазного отщепления в подходящих органических растворителях38. Эта стратегия является важным дополнением к этой развивающейся области исследований, а оценка силы связывания между плоскостями не-вдв кристалла является важным фактором,

46

определяющим возможность расслоения кристаллов .

Показано, что расслоение не-вдв материалов приводит к образованию тонких слоев с разными размерами и/или кристаллографическими ориентациями, характеристики которых зависят от кристаллической структуры объемного материала43,47-55, а также от энергии, необходимой для отделения/расслаивания

слоев, которая называется энергией отщепления. Значение энергии отщепления является важным параметром, помогающим исследователям предсказать, может ли материал не-вдв легко расслаиваться или нет46, тогда как кристаллографическая структура объемного материала может дать представление о структурных характеристиках тонких слоев, которые могут быть отделены в процессе отщепления. На основе этой информации также можно определить подходящий метод отщепления. Таким образом, существование плоскостей скола/отщепления в определенных направлениях ковалентных материалов, где прочность связи относительно слоя по сравнению с другими кристаллографическими направлениями объемного кристалла, способствует плавному отщеплению при соответствующих внешних воздействиях.

Оценочные значения энергии отщепления для слоистых и неслоистых материалов были получены в основном в результате моделирования ab initio с использованием теории функционала плотности (Density Functional Theory, dFT)33,48,56. Обычно используются два подхода. В первом случае энергию отщепления можно оценить по разнице конфигурационной энергии до и после отделения атомного слоя (поверхностного слоя) с использованием пластинчатых моделей с n-атомными слоями56-60. Однако в принципе, поскольку неизвестно, сколько слоев необходимо для воспроизведения как объемного, так и поверхностного поведения, этот метод требует процедуры энергетической сходимости для фиксации количества слоев61. Поскольку необходимо рассчитать полную энергию двух конфигураций для каждой модели пластины с n слоями (до и после выделения атомного слоя), этот метод становится вычислительно дорогостоящим.

Д. Юнг (J. H. Jung) с коллективом продемонстрировал простой и быстрый способ оценить значения энергии отщепления61. С помощью этого метода авторы доказали, что эту энергию можно оценить как разницу энергии слоя в объеме и энергии отделенного слоя в вакууме в их соответственно релаксированной геометрии48,61. Согласно такому подходу, энергия отщепления также может быть применима к отщеплению n слоев по следующему уравнению61:

EiS0(n) A

E

bulk

Eexf(n) = , , (1)

где Eexf(n) представляет собой энергию отщепления для п слоев, Eiso(n) — полную энергию элементарной ячейки с п изолированными слоями в вакууме, Е^ — полную энергию элементарной ячейки объемного материала. состоящую из т слоев, а А — площадь объемной элементарной ячейки в плоскости. Этот метод дает значения энергии отщепления, которые хорошо согласуются с вышеупомянутым методом, однако с меньшими вычислительными затратами61.

Энергии отщепления, полученные для неслоистых материалов, в целом выше, чем для слоистых материалов47,48. Расслоение ковалентных материалов включает разрыв связей, что требует больше энергии для отделения слоев (больше, чем для преодоления ван-дер-ваальсовых взаимодействий в слоистых материалах). Кроме того, из-за уменьшения энергии полученные отщепленные слои могут подвергнуться структурной деформации/реорганизации из-за оборванных связей, присутствующих на поверхности и/или границах48,49, что создает процесс более сложный, чем для слоистых материалов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Токсумаков Адилет Нурланбекович, 2024 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Ajayan, P., Kim, P. & Banerjee, K. Two-dimensional van der Waals materials. Physics Today 69, 38-44 (2016).

2. Duong, D. L., Yun, S. J. & Lee, Y. H. van der Waals Layered Materials: Opportunities and Challenges. ACS Nano 11, 11803-11830 (2017).

3. Novoselov, K. S. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science 306, 666-669 (2004).

4. Falcao, E. H. & Wudl, F. Carbon allotropes: beyond graphite and diamond. Journal of Chemical Technology & Biotechnology 82, 524-531 (2007).

5. Hoffmann, R., Kabanov, A. A., Golov, A. A. & Proserpio, D. M. Homo Citans and Carbon Allotropes: For an Ethics of Citation. Angewandte Chemie International Edition 55, 10962-10976 (2016).

6. Valeev, B. Yu., Toksumakov, A. N., Kvashnin, D. G. & Chernozatonskii, L. A. Theoretical Study of the Electronic and Transport Properties of Lateral 2D-1D-2D Graphene-CNT-Graphene Structures. Jetp Lett. 115, 93-97 (2022).

7. Wang, J., Ma, F. & Sun, M. Graphene, hexagonal boron nitride, and their heterostructures: properties and applications. RSC Adv. 7, 16801-16822 (2017).

8. Katsnelson, M. I. Graphene: Carbon in Two Dimensions. (Cambridge University Press, 2012).

9. Geim, A. K. & Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nature Mater 6, 183-191 (2007).

10. Balandin, A. A. et al. Superior Thermal Conductivity of Single-Layer Graphene. Nano Lett. 8, 902-907 (2008).

11. Kravets, V. G. et al. Spectroscopic ellipsometry of graphene and an exciton-shifted van Hove peak in absorption. Phys. Rev. B 81, 155413 (2010).

12. Nair, R. R. et al. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. Science 320, 1308-1308 (2008).

13. Matkovic, A. et al. Influence of transfer residue on the optical properties of chemical vapor deposited graphene investigated through spectroscopic ellipsometry. Journal of Applied Physics 114, 093505 (2013).

14. Matkovic, A. et al. Spectroscopic imaging ellipsometry and Fano resonance modeling of graphene. Journal of Applied Physics 112, 123523 (2012).

15. Weber, J. W., Calado, V. E. & van de Sanden, M. C. M. Optical constants of graphene measured by spectroscopic ellipsometry. Appl. Phys. Lett. 97, 091904 (2010).

16. Nelson, F. J. et al. Optical properties of large-area polycrystalline chemical vapor deposited graphene by spectroscopic ellipsometry. Applied Physics Letters 97, 253110 (2010).

17. Ochoa-Martinez, E. et al. Determination of a refractive index and an extinction coefficient of standard production of CVD-graphene. Nanoscale 7, 1491-1500 (2015).

18. El-Sayed, M. A. et al. Optical Constants of Chemical Vapor Deposited Graphene for Photonic Applications. Nanomaterials 11, 1230 (2021).

19. Song, B. et al. Broadband optical properties of graphene and HOPG investigated by spectroscopic Mueller matrix ellipsometry. Applied Surface Science 439, 10791087 (2018).

20. Castriota, M. et al. Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry investigation of CVD-grown monolayer graphene. Applied Surface Science 467-468, 213-220 (2019).

21. Matkovic, A. et al. Influence of a gold substrate on the optical properties of graphene. Journal of Applied Physics 117, 015305 (2015).

22. Hwang, C. et al. Fermi velocity engineering in graphene by substrate modification. Sci Rep 2, 590 (2012).

23. Abergel, D. S. L., Wallbank, J. R., Chen, X., Mucha-Kruczynski, M. & Fal'ko, V. I. Infrared absorption by graphene-hBN heterostructures. New J. Phys. 15, 123009 (2013).

24. Abergel, D. S. L. & Mucha-Kruczynski, M. Infrared absorption of closely aligned heterostructures of monolayer and bilayer graphene with hexagonal boron nitride. Phys. Rev. B 92, 115430 (2015).

25. Zhang, H. et al. Experimental evidence of plasmarons and effective fine structure constant in electron-doped graphene/h-BN heterostructure. npj Quantum Mater. 6, 17 (2021).

26. List of Contributors for Volume II. in Handbook of Optical Constants of Solids (ed. Palik, E. D.) xv-xviii (Academic Press, Burlington, 1997). doi:10.1016/B978-012544415-6.50001-7.

27. Burch, K. S., Mandrus, D. & Park, J.-G. Magnetism in two-dimensional van der Waals materials. Nature 563, 47-52 (2018).

28. Yan, Y., Zeng, Z., Huang, M. & Chen, P. Van der waals heterojunctions for catalysis. Materials Today Advances 6, 100059 (2020).

29. Pomerantseva, E. & Gogotsi, Y. Two-dimensional heterostructures for energy storage. Nat Energy 2, 1-6 (2017).

30. Zheng, Z., Yao, J., Li, J. & Yang, G. Non-layered 2D materials toward advanced photoelectric devices: progress and prospects. Mater. Horiz. 7, 2185-2207 (2020).

31. Novoselov, K. S., Mishchenko, A., Carvalho, A. & Castro Neto, A. H. 2D materials and van der Waals heterostructures. Science 353, aac9439 (2016).

32. Wang, X., Sun, Y. & Liu, K. Chemical and structural stability of 2D layered materials. 2D Mater. 6, 042001 (2019).

33. Yu, X., Marks, T. J. & Facchetti, A. Metal oxides for optoelectronic applications. Nature Mater 15, 383-396 (2016).

34. Kumbhakar, P. et al. Emerging 2D metal oxides and their applications. Materials Today 45, 142-168 (2021).

35. Balan, A. P. et al. Non-van der Waals quasi-2D materials; recent advances in synthesis, emergent properties and applications. Materials Today 58, 164-200 (2022).

36. Mannix, A. J., Kiraly, B., Hersam, M. C. & Guisinger, N. P. Synthesis and chemistry of elemental 2D materials. Nat Rev Chem 1, 1-14 (2017).

37. Wang, F. et al. Two-Dimensional Non-Layered Materials: Synthesis, Properties and Applications. Advanced Functional Materials 27, 1603254 (2017).

38. Puthirath Balan, A. et al. Exfoliation of a non-van der Waals material from iron ore hematite. Nature Nanotech 13, 602-609 (2018).

39. Peng, J. et al. Stoichiometric two-dimensional non-van der Waals AgCrS2 with superionic behaviour at room temperature. Nat. Chem. 13, 1235-1240 (2021).

40. Puthirath, A. B. et al. Apparent Ferromagnetism in Exfoliated Ultrathin Pyrite Sheets. J. Phys. Chem. C 125, 18927-18935 (2021).

41. Tan, C. & Zhang, H. Wet-chemical synthesis and applications of non-layer structured two-dimensional nanomaterials. Nat Commun 6, 7873 (2015).

42. Zhou, N., Yang, R. & Zhai, T. Two-dimensional non-layered materials. Materials Today Nano 8, 100051 (2019).

43. Dou, Y. et al. Atomically thin non-layered nanomaterials for energy storage and conversion. Chem. Soc. Rev. 46, 7338-7373 (2017).

44. Tran, R. et al. Surface energies of elemental crystals. Sci Data 3, 160080 (2016).

45. Gao, Z., Sun, W. & Hu, Y. Mineral cleavage nature and surface energy: Anisotropic surface broken bonds consideration. Transactions of Nonferrous Metals Society of China 24, 2930-2937 (2014).

46. Backes, C. et al. Equipartition of Energy Defines the Size-Thickness Relationship in Liquid-Exfoliated Nanosheets. ACS Nano 13, 7050-7061 (2019).

47. Tao, P. et al. Recent advances in exfoliation techniques of layered and non-layered materials for energy conversion and storage. J. Mater. Chem. A 7, 23512-23536 (2019).

48. Cutini, M., Maschio, L. & Ugliengo, P. Exfoliation Energy of Layered Materials by DFT-D: Beware of Dispersion! J. Chem. Theory Comput. 16, 5244-5252 (2020).

49. Zhang, H., Dai, Y.-M. & Liu, L.-M. Novel monolayer pyrite FeS2 with atomic-thickness for magnetic devices. Computational Materials Science 101, 255-259 (2015).

50. Huang, Y. et al. Universal mechanical exfoliation of large-area 2D crystals. Nat Commun 11, 2453 (2020).

51. Guo, J. et al. A Photochemical Route towards Metal Sulfide Nanosheets from Layered Metal Thiolate Complexes. Angewandte Chemie International Edition 58, 8443-8447 (2019).

52. Zhang, C. et al. Cryogenic Exfoliation of Non-layered Magnesium into Two-Dimensional Crystals. Angewandte Chemie International Edition 58, 8814-8818 (2019).

53. Gao, L. et al. 2D ultrathin carbon nanosheets with rich N/O content constructed by stripping bulk chitin for high-performance sodium ion batteries. Nanoscale 11, 1262612636 (2019).

54. Bacaksiz, C., Yagmurcukardes, M., Peeters, F. M. & Milosevic, M. V. Hematite at its thinnest limit. 2D Mater. 7, 025029 (2020).

55. Wang, D. et al. Mass Production of Large-Sized, Nonlayered 2D Nanosheets: Their Directed Synthesis by a Rapid "Gel-Blowing" Strategy, and Applications in Li/Na Storage and Catalysis. Advanced Materials 30, 1803569 (2018).

56. Ma, F. et al. Single Layer Bismuth Iodide: Computational Exploration of Structural, Electrical, Mechanical and Optical Properties. Sci Rep 5, 17558 (2015).

57. Gould, T., Lebegue, S. & Dobson, J. F. Dispersion corrections in graphenic systems: a simple and effective model of binding. J. Phys.: Condens. Matter 25, 445010 (2013).

58. Jing, Y., Ma, Y., Li, Y. & Heine, T. GeP3: A Small Indirect Band Gap 2D Crystal with High Carrier Mobility and Strong Interlayer Quantum Confinement. Nano Lett. 17, 1833-1838 (2017).

59. Zhao, S. et al. Deep-Ultraviolet Transparent Phosphates RbBa2(PO3)5 and Rb2Ba3(P2O7)2 Show Nonlinear Optical Activity from Condensation of [PO4]3-Units. J. Am. Chem. Soc. 136, 8560-8563 (2014).

60. Li, F., Liu, X., Wang, Y. & Li, Y. Germanium monosulfide monolayer: a novel two-dimensional semiconductor with a high carrier mobility. J. Mater. Chem. C 4, 2155-2159 (2016).

61. Jung, J. H., Park, C.-H. & Ihm, J. A Rigorous Method of Calculating Exfoliation Energies from First Principles. Nano Lett. 18, 2759-2765 (2018).

62. Shackelford, J. F. Introduction to Materials Science for Engineers. (2016).

63. Friedrich, R., Ghorbani-Asl, M., Curtarolo, S. & Krasheninnikov, A. V. Data-Driven Quest for Two-Dimensional Non-van der Waals Materials. Nano Lett. 22, 989997 (2022).

64. Curtarolo, S. et al. AFLOW: An automatic framework for high-throughput materials discovery. Computational Materials Science 58, 218-226 (2012).

65. Barnowsky, T., Krasheninnikov, A. V. & Friedrich, R. A New Group of 2D Non-van der Waals Materials with Ultra Low Exfoliation Energies. Advanced Electronic Materials 9, 2201112 (2023).

66. Service, R. F. Beyond graphene. Science 348, 490-492 (2015).

67. Mas-Ballesté, R., Gómez-Navarro, C., Gómez-Herrero, J. & Zamora, F. 2D materials: to graphene and beyond. Nanoscale 3, 20-30 (2011).

68. Xu, M., Liang, T., Shi, M. & Chen, H. Graphene-Like Two-Dimensional Materials. Chem. Rev. 113, 3766-3798 (2013).

69. Kan, E. et al. Two-Dimensional Hexagonal Transition-Metal Oxide for Spintronics. J. Phys. Chem. Lett. 4, 1120-1125 (2013).

70. Marelli, M. et al. Hierarchical Hematite Nanoplatelets for Photoelectrochemical Water Splitting. ACS Appl. Mater. Interfaces 6, 11997-12004 (2014).

71. Chen, J., Xu, L., Li, W. & Gou, X. a-Fe2O3 Nanotubes in Gas Sensor and LithiumIon Battery Applications. Advanced Materials 17, 582-586 (2005).

72. Mishra, M. & Chun, D.-M. a-Fe2O3 as a photocatalytic material: A review. Applied Catalysis A: General 498, 126-141 (2015).

73. Zeng, H., Li, J., Liu, J. P., Wang, Z. L. & Sun, S. Exchange-coupled nanocomposite magnets by nanoparticle self-assembly. Nature 420, 395-398 (2002).

74. Teja, A. S. & Koh, P.-Y. Synthesis, properties, and applications of magnetic iron oxide nanoparticles. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 55, 22-45 (2009).

75. Sivula, K., Le Formal, F. & Grätzel, M. Solar Water Splitting: Progress Using Hematite (a-Fe2O3) Photoelectrodes. ChemSusChem 4, 432-449 (2011).

76. Gao, C. & Singh, C. V. Mechanical properties and magnetic and electronic properties tuned via strain in two-dimensional non-van der Waals hematene. Nuclear Analysis 2, 100061 (2023).

77. Pozun, Z. D. & Henkelman, G. Hybrid density functional theory band structure engineering in hematite. The Journal of Chemical Physics 134, 224706 (2011).

78. Gonzalez, R. I. et al. Hematene: a 2D magnetic material in van der Waals or non-van der Waals heterostructures. 2D Mater. 6, 045002 (2019).

79. Rollmann, G., Rohrbach, A., Entel, P. & Hafner, J. First-principles calculation of the structure and magnetic phases of hematite. Phys. Rev. B 69, 165107 (2004).

80. Bandyopadhyay, A., Frey, N. C., Jariwala, D. & Shenoy, V. B. Engineering Magnetic Phases in Two-Dimensional Non-van der Waals Transition-Metal Oxides. Nano Lett. 19, 7793-7800 (2019).

81. Wei, Y., Ghorbani-Asl, M. & Krasheninnikov, A. V. Tailoring the Electronic and Magnetic Properties of Hematene by Surface Passivation: Insights from First-Principles Calculations. J. Phys. Chem. C 124, 22784-22792 (2020).

82. Jang, J.-W. et al. Enabling unassisted solar water splitting by iron oxide and silicon. Nat Commun 6, 7447 (2015).

83. Shim, S.-H. & Duffy, T. S. Raman spectroscopy of Fe2O3 to 62 GPa. American Mineralogist 87, 318-326 (2002).

84. He, Y. P. et al. Size and structure effect on optical transitions of iron oxide nanocrystals. Phys. Rev. B 71, 125411 (2005).

85. Wheeler, D. A., Wang, G., Ling, Y., Li, Y. & Zhang, J. Z. Nanostructured hematite: synthesis, characterization, charge carrier dynamics, and photoelectrochemical properties. Energy Environ. Sci. 5, 6682-6702 (2012).

86. Zou, B. et al. Anomalous optical properties and electron-phonon coupling enhancement in Fe2O3 nanoparticles coated with a layer of stearates. Journal of Physics and Chemistry of Solids 58, 1315-1320 (1997).

87. Omachi, H., Nakayama, T., Takahashi, E., Segawa, Y. & Itami, K. Initiation of carbon nanotube growth by well-defined carbon nanorings. Nature Chem 5, 572-576 (2013).

88. Bucknum, M. J. A hypothetical dense 3, 4-connected carbon net and related B2C and CN2 nets built from 1, 4-cyclohexadienoid units. Journal of the American Chemical Society 11456-11464 (1994).

89. Zhang, S., Wang, Q., Chen, X. & Jena, P. Stable three-dimensional metallic carbon with interlocking hexagons. Proceedings of the National Academy of Sciences 110, 18809-18813 (2013).

90. Deza, M., Fowler, P. W., Shtogrin, M. & Vietze, K. Pentaheptite Modifications of the Graphite Sheet. J. Chem. Inf. Comput. Sci. 40, 1325-1332 (2000).

91. Tan, Y.-Z., Xie, S.-Y., Huang, R.-B. & Zheng, L.-S. The stabilization of fused-pentagon fullerene molecules. Nature Chem 1, 450-460 (2009).

92. Zhao, Z. et al. Tetragonal Allotrope of Group 14 Elements. J. Am. Chem. Soc. 134, 12362-12365 (2012).

93. Zhang, S. et al. Penta-graphene: A new carbon allotrope. PNAS 112, 2372-2377 (2015).

94. Einollahzadeh, H., Dariani, R. S. & Fazeli, S. M. Computing the band structure and energy gap of penta-graphene by using DFT and G0W0 approximations. Solid State Communications 229, 1-4 (2016).

95. Yu, Z. G. & Zhang, Y.-W. A comparative density functional study on electrical properties of layered penta-graphene. Journal of Applied Physics 118, 165706 (2015).

96. Menendez-Proupin, E., Montero-Alejo, A. L. & Garcia de la Vega, J. M. Ultrathin Carbon Nanotube With Single, Double, and Triple Bonds. Phys. Rev. Lett. 109, 105501 (2012).

97. Li, Y., Xu, L., Liu, H. & Li, Y. Graphdiyne and graphyne: from theoretical predictions to practical construction. Chem. Soc. Rev. 43, 2572-2586 (2014).

98. Merz, K. M. Jr., Hoffmann, R. & Balaban, A. T. 3,4-Connected carbon nets: through-space and through-bond interactions in the solid state. J. Am. Chem. Soc. 109, 6742-6751 (1987).

99. Schmidt, C. L., Dinnebier, R., Wedig, U. & Jansen, M. Crystal Structure and Chemical Bonding of the High-Temperature Phase of AgN3. Inorg. Chem. 46, 907916 (2007).

100. Xu, W., Zhang, G. & Li, B. Thermal conductivity of penta-graphene from molecular dynamics study. J. Chem. Phys. 143, 154703 (2015).

101. Подливаев, А. И., Гришаков, К. С., Катин, К. П. & Маслов, М. М. МЕЖСЛОЕВАЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ И ТЕРМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ДЕФОРМИРОВАННОГО ДВУХСЛОЙНОГО ГРАФЕНА. Pis 'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 113, 182-188 (2021).

102. Podlivaev, A. I. Thermal Stability of Hydrogen Clusters at Graphene and Stone— Wales Graphene Surfaces. Jetp Lett. 111, 613-618 (2020).

103. Опенов, Л. А. & Подливаев, А. И. К вопросу о термической устойчивости пентаграфена, 'Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики'. Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики 747-752 (2018) doi:10.7868/S0370274X18110103.

104. Podlivaev, A. I. Bilayer Graphene-Stone-Wales Graphene: Structure, Stability, and Interlayer Thermal Conductivity. Jetp Lett. 115, 348-355 (2022).

105. Wang, J. et al. A first-principles study of the electrically tunable band gap in few-layer penta-graphene. Physical Chemistry Chemical Physics 20, 18110-18116 (2018).

106. Cheng, M.-Q. et al. Penta-Graphene as a Potential Gas Sensor for NOx Detection. Nanoscale Res Lett 14, 306 (2019).

107. Nazir, M. A., Hassan, A., Shen, Y. & Wang, Q. Research progress on penta-graphene and its related materials: Properties and applications. Nano Today 44, 101501 (2022).

108. Sun, Z. et al. Disparate strain response of the thermal transport properties of bilayer penta-graphene as compared to that of monolayer penta-graphene. Physical Chemistry Chemical Physics 21, 15647-15655 (2019).

109. Wang, F. Q., Liu, J., Li, X., Wang, Q. & Kawazoe, Y. Weak interlayer dependence of lattice thermal conductivity on stacking thickness of penta-graphene. Appl. Phys. Lett. 111, 192102 (2017).

110. R. Berdiyorov, G. & El-Amine Madjet, M. First-principles study of electronic transport and optical properties of penta-graphene, penta-SiC 2 and penta-CN 2. RSC Advances 6, 50867-50873 (2016).

111. Rajbanshi, B., Sarkar, S., Mandal, B. & Sarkar, P. Energetic and electronic structure of penta-graphene nanoribbons. Carbon 100, 118-125 (2016).

112. Tikhomirova, K. A. et al. Exotic Two-Dimensional Structure: The First Case of Hexagonal NaCl. J. Phys. Chem. Lett. 11, 3821-3827 (2020).

113. Cranford, S. W. When is 6 less than 5? Penta- to hexa-graphene transition. Carbon 96, 421-428 (2016).

114. Rahaman, O., Mortazavi, B., Dianat, A., Cuniberti, G. & Rabczuk, T. Metamorphosis in carbon network: From penta-graphene to biphenylene under uniaxial tension. FlatChem 1, 65-73 (2017).

115. Kuklin, A. V., Agren, H. & Avramov, P. V. Structural stability of single-layer PdSe2 with pentagonal puckered morphology and its nanotubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 22, 8289-8295 (2020).

116. Ewels, C. P. et al. Predicting experimentally stable allotropes: Instability of penta-graphene. PNAS 112, 15609-15612 (2015).

117. Avramov, P. et al. Translation Symmetry Breakdown in Low-Dimensional Lattices of Pentagonal Rings. J. Phys. Chem. Lett. 6, 4525-4531 (2015).

118. Wang, T., Chen, S., Pang, H., Xue, H. & Yu, Y. MoS2-Based Nanocomposites for Electrochemical Energy Storage. Advanced Science 4, 1600289 (2017).

119. Bhaviripudi, S., Jia, X., Dresselhaus, M. S. & Kong, J. Role of Kinetic Factors in Chemical Vapor Deposition Synthesis of Uniform Large Area Graphene Using Copper Catalyst. Nano Lett. 10, 4128-4133 (2010).

120. Shi, Y. et al. van der Waals Epitaxy of MoS2 Layers Using Graphene As Growth Templates. Nano Lett. 12, 2784-2791 (2012).

121. Yu, H.-D., Regulacio, M. D., Ye, E. & Han, M.-Y. Chemical routes to top-down nanofabrication. Chem. Soc. Rev. 42, 6006-6018 (2013).

122. Li, X. et al. Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils. Science 324, 1312-1314 (2009).

123. Lee, J.-H. et al. Wafer-Scale Growth of Single-Crystal Monolayer Graphene on Reusable Hydrogen-Terminated Germanium. Science 344, 286-289 (2014).

124. Rutter, G. M. et al. Scattering and Interference in Epitaxial Graphene. Science 317, 219-222 (2007).

125. Fleurence, A. et al. Experimental Evidence for Epitaxial Silicene on Diboride Thin Films. Phys. Rev. Lett. 108, 245501 (2012).

126. Rodriguez-Manzo, J. A., Pham-Huu, C. & Banhart, F. Graphene Growth by a Metal-Catalyzed Solid-State Transformation of Amorphous Carbon. ACS Nano 5, 1529-1534 (2011).

127. Edwards, R. S. & Coleman, K. S. Graphene Film Growth on Polycrystalline Metals. Acc. Chem. Res. 46, 23-30 (2013).

128. Koma, A. Van der Waals epitaxy—a new epitaxial growth method for a highly lattice-mismatched system. Thin Solid Films 216, 72-76 (1992).

129. Geim, A. K. Graphene: Status and Prospects. Science 324, 1530-1534 (2009).

130. Dean, C. R. et al. Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. Nature Nanotech 5, 722-726 (2010).

131. Xue, J. et al. Scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene on hexagonal boron nitride. Nature Mater 10, 282-285 (2011).

132. Bhowmik, S. & Govind Rajan, A. Chemical vapor deposition of 2D materials: A review of modeling, simulation, and machine learning studies. iScience 25, 103832 (2022).

133. Alam, S., Asaduzzaman Chowdhury, M., Shahid, A., Alam, R. & Rahim, A. Synthesis of emerging two-dimensional (2D) materials - Advances, challenges and prospects. FlatChem 30, 100305 (2021).

134. Huang, Y. et al. Reliable Exfoliation of Large-Area High-Quality Flakes of Graphene and Other Two-Dimensional Materials. ACS Nano 9, 10612-10620 (2015).

135. Guan, L. et al. Metal-assisted exfoliation of few-layer black phosphorus with high yield. Chem. Commun. 54, 595-598 (2018).

136. Young, E. P. et al. Wafer-Scale Black Arsenic-Phosphorus Thin-Film Synthesis Validated with Density Functional Perturbation Theory Predictions. ACS Appl. Nano Mater. 1, 4737-4745 (2018).

137. Shim, J. et al. Controlled crack propagation for atomic precision handling of wafer-scale two-dimensional materials. Science 362, 665-670 (2018).

138. Desai, S. B. et al. Gold-Mediated Exfoliation of Ultralarge Optoelectronically-Perfect Monolayers. Advanced Materials 28, 4053-4058 (2016).

139. Coleman, J. N. et al. Two-Dimensional Nanosheets Produced by Liquid Exfoliation of Layered Materials. Science 331, 568-571 (2011).

140. Kang, J. et al. Thickness sorting of two-dimensional transition metal dichalcogenides via copolymer-assisted density gradient ultracentrifugation. Nat Commun 5, 5478 (2014).

141. Yi, M. & Shen, Z. A review on mechanical exfoliation for the scalable production of graphene. J. Mater. Chem. A 3, 11700-11715 (2015).

142. Liu, Y. et al. Van der Waals heterostructures and devices. Nat Rev Mater 1, 1-17 (2016).

143. Tyurnina, A. V. et al. Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon 168, 737-747 (2020).

144. Liu, X., Chen, H., Lin, J., Li, Y. & Guo, L. Exfoliation of transition-metal dichalcogenides using ATP in aqueous solution. Chem. Commun. 55, 2972-2975 (2019).

145. Gautam, C. & Chelliah, S. Methods of hexagonal boron nitride exfoliation and its functionalization: covalent and non-covalent approaches. RSC Advances 11, 3128431327 (2021).

146. Lin, S., Chui, Y., Li, Y. & Lau, S. P. Liquid-phase exfoliation of black phosphorus and its applications. FlatChem 2, 15-37 (2017).

147. Yankowitz, M., Ma, Q., Jarillo-Herrero, P. & LeRoy, B. J. van der Waals heterostructures combining graphene and hexagonal boron nitride. Nat Rev Phys 1, 112-125 (2019).

148. Novoselov, K. S. & Neto, A. H. C. Two-dimensional crystals-based heterostructures: materials with tailored properties. Phys. Scr. T146, 014006 (2012).

149. Dean, C. et al. Graphene based heterostructures. Solid State Communications 152, 1275-1282 (2012).

150. Britnell, L. et al. Strong Light-Matter Interactions in Heterostructures of Atomically Thin Films. Science 340, 1311-1314 (2013).

151. Britnell, L. et al. Field-Effect Tunneling Transistor Based on Vertical Graphene Heterostructures. Science 335, 947-950 (2012).

152. Yu, W. J. et al. Vertically stacked multi-heterostructures of layered materials for logic transistors and complementary inverters. Nature Mater 12, 246-252 (2013).

153. Georgiou, T. et al. Vertical field-effect transistor based on graphene-WS2 heterostructures for flexible and transparent electronics. Nature Nanotech 8, 100-103 (2013).

154. Bonaccorso, F. et al. Production and processing of graphene and 2d crystals. Materials Today 15, 564-589 (2012).

155. Song, X. et al. Stamp Transferred Suspended Graphene Mechanical Resonators for Radio Frequency Electrical Readout. Nano Lett. 12, 198-202 (2012).

156. Frisenda, R. et al. Recent progress in the assembly of nanodevices and van der Waals heterostructures by deterministic placement of 2D materials. Chem. Soc. Rev. 47, 53-68 (2018).

157. Liu, X. et al. Thin-film electronics based on all-2D van der Waals heterostructures. Journal of Information Display 22, 231-245 (2021).

158. Xia, J. et al. Strong coupling and pressure engineering in WSe2-MoSe2 heterobilayers. Nat. Phys. 17, 92-98 (2021).

159. Walsh, L. A. & Hinkle, C. L. van der Waals epitaxy: 2D materials and topological insulators. Applied Materials Today 9, 504-515 (2017).

160. Castellanos-Gomez, A. et al. Deterministic transfer of two-dimensional materials by all-dry viscoelastic stamping. 2D Mater. 1, 011002 (2014).

161. Cui, X. et al. Multi-terminal transport measurements of MoS2 using a van der Waals heterostructure device platform. Nature Nanotech 10, 534-540 (2015).

162. Li, L. et al. Quantum oscillations in a two-dimensional electron gas in black phosphorus thin films. Nature Nanotech 10, 608-613 (2015).

163. Xi, X. et al. Ising pairing in superconducting NbSe2 atomic layers. Nature Phys 12, 139-143 (2016).

164. Yabuki, N. et al. Supercurrent in van der Waals Josephson junction. Nat Commun 7, 10616 (2016).

165. Kim, M. et al. Strong Proximity Josephson Coupling in Vertically Stacked NbSe2-Graphene-NbSe2 van der Waals Junctions. Nano Lett. 17, 6125-6130 (2017).

166. Singh, V. et al. Optomechanical coupling between a multilayer graphene mechanical resonator and a superconducting microwave cavity. Nature Nanotech 9, 820-824 (2014).

167. Ota, Y. et al. Optical coupling between atomically thin black phosphorus and a two dimensional photonic crystal nanocavity. Applied Physics Letters 110, 223105 (2017).

168. Palacios-Berraquero, C. et al. Large-scale quantum-emitter arrays in atomically thin semiconductors. Nat Commun 8, 15093 (2017).

169. Li, D. et al. Two-dimensional non-volatile programmable p-n junctions. Nature Nanotech 12, 901-906 (2017).

170. Xie, H., Jiang, S., Shan, J. & Mak, K. F. Valley-Selective Exciton Bistability in a Suspended Monolayer Semiconductor. Nano Lett. 18, 3213-3220 (2018).

171. Lee, J., Wang, Z., Xie, H., Mak, K. F. & Shan, J. Valley magnetoelectricity in single-layer MoS2. Nature Mater 16, 887-891 (2017).

172. Yamasaki, Y. et al. Exfoliation and van der Waals heterostructure assembly of intercalated ferromagnet Cr1/3TaS2. 2D Mater. 4, 041007 (2017).

173. Arai, M. et al. Construction of van der Waals magnetic tunnel junction using ferromagnetic layered dichalcogenide. Applied Physics Letters 107, 103107 (2015).

174. Uwanno, T., Hattori, Y., Taniguchi, T., Watanabe, K. & Nagashio, K. Fully dry PMMA transfer of graphene on h-BN using a heating/cooling system. 2D Mater. 2, 041002 (2015).

175. Goler, S. et al. Self-assembly and electron-beam-induced direct etching of suspended graphene nanostructures. Journal of Applied Physics 110, 064308 (2011).

176. Tien, D. H. et al. Study of Graphene-based 2D-Heterostructure Device Fabricated by All-Dry Transfer Process. ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 3072-3078 (2016).

177. Kinoshita, K. et al. Dry release transfer of graphene and few-layer h-BN by utilizing thermoplasticity of polypropylene carbonate. npj 2D Mater Appl 3, 1-8 (2019).

178. Addou, R. & Wallace, R. M. (Invited) Integration of 2D Materials for Advanced Devices: Challenges and Opportunities. ECS Trans. 79, 11 (2017).

179. Kozhakhmetov, A. et al. Scalable BEOL compatible 2D tungsten diselenide. 2D Mater. 7, 015029 (2019).

180. Roselli, L. et al. Smart Surfaces: Large Area Electronics Systems for Internet of Things Enabled by Energy Harvesting. Proceedings of the IEEE 102, 1723-1746 (2014).

181. Zhan, Y., Mei, Y. & Zheng, L. Materials capability and device performance in flexible electronics for the Internet of Things. J. Mater. Chem. C 2, 1220-1232 (2014).

182. Cho, H.-Y. et al. Salt-assisted clean transfer of continuous monolayer MoS2 film for hydrogen evolution reaction. Physica B: Condensed Matter 532, 84-89 (2018).

183. Elias, A. L. et al. Controlled Synthesis and Transfer of Large-Area WS2 Sheets: From Single Layer to Few Layers. ACSNano 7, 5235-5242 (2013).

184. Lai, S., Jeon, J., Song, Y.-J. & Lee, S. Water-penetration-assisted mechanical transfer of large-scale molybdenum disulfide onto arbitrary substrates. RSC Adv. 6, 57497-57501 (2016).

185. Sharma, M., Singh, A. & Singh, R. Monolayer MoS2 Transferred on Arbitrary Substrates for Potential Use in Flexible Electronics. ACS Appl. Nano Mater. 3, 44454453 (2020).

186. Zhang, F., Erb, C., Runkle, L., Zhang, X. & Alem, N. Etchant-free transfer of 2D nanostructures. Nanotechnology 29, 025602 (2017).

187. Schranghamer, T. F., Sharma, M., Singh, R. & Das, S. Review and comparison of layer transfer methods for two-dimensional materials for emerging applications. Chem. Soc. Rev. 50, 11032-11054 (2021).

188. Reina, A. et al. Large Area, Few-Layer Graphene Films on Arbitrary Substrates by Chemical Vapor Deposition. Nano Lett. 9, 30-35 (2009).

189. Wang, X. et al. Chemical Vapor Deposition Growth of Crystalline Monolayer MoSe2. ACS Nano 8, 5125-5131 (2014).

190. Lin, Y.-C. et al. Wafer-scale MoS2 thin layers prepared by MoO3 sulfurization. Nanoscale 4, 6637-6641 (2012).

191. Amani, M. et al. Growth-substrate induced performance degradation in chemically synthesized monolayer MoS2 field effect transistors. Applied Physics Letters 104, 203506 (2014).

192. Ma, D. et al. A universal etching-free transfer of MoS2 films for applications in photodetectors. Nano Res. 8, 3662-3672 (2015).

193. Sharma, M., Singh, A., Aggarwal, P. & Singh, R. Large-Area Transfer of 2D TMDCs Assisted by a Water-Soluble Layer for Potential Device Applications. ACS Omega 7, 11731-11741 (2022).

194. Kaur, H. & Coleman, J. N. Liquid-Phase Exfoliation of Nonlayered Non-Van-Der-Waals Crystals into Nanoplatelets. Advanced Materials 34, 2202164 (2022).

195. Sreepal, V. et al. Two-Dimensional Covalent Crystals by Chemical Conversion of Thin van der Waals Materials. Nano Lett. 19, 6475-6481 (2019).

196. Du, Z. et al. Conversion of non-van der Waals solids to 2D transition-metal chalcogenides. Nature 577, 492-496 (2020).

197. Li, H. et al. Rapid and Reliable Thickness Identification of Two-Dimensional Nanosheets Using Optical Microscopy. ACS Nano 7, 10344-10353 (2013).

198. Sheldrick, G. M. SHELXTL Ver. 5.10, Structure Determination Software Suite. Madison (Wisconsin, USA) (1998).

199. Sheldrick, G. M. SADABS v. 2.01, Bruker/Siemens Area Detector Absorption Correction Program. (Bruker AXS, Madison, Wisconsin, USA, 1998).

200. Flack, H. D. & Bernardinelli, G. Absolute structure and absolute configuration. Acta Cryst A 55, 908-915 (1999).

201. Kresse, G. & Furthmüller, J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Phys. Rev. B 54, 11169-11186 (1996).

202. Kresse, G. & Joubert, D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method. Phys. Rev. B 59, 1758-1775 (1999).

203. Zhang, Y. & Yang, W. Comment on "Generalized Gradient Approximation Made Simple". Phys. Rev. Lett. 80, 890-890 (1998).

204. Heyd, J. & Scuseria, G. E. Efficient hybrid density functional calculations in solids: Assessment of the Heyd-Scuseria-Ernzerhof screened Coulomb hybrid functional. J. Chem. Phys. 121, 1187-1192 (2004).

205. Perdew, J. P., Burke, K. & Ernzerhof, M. Generalized Gradient Approximation Made Simple. Phys. Rev. Lett. 77, 3865-3868 (1996).

206. Blochl, P. E., Forst, C. J. & Schimpl, J. Projector augmented wave method:ab initio molecular dynamics with full wave functions. Bull Mater Sci 26, 33-41 (2003).

207. Monkhorst, H. J. & Pack, J. D. Special points for Brillouin-zone integrations. Phys. Rev. B 13, 5188-5192 (1976).

208. Grimme, S., Antony, J., Ehrlich, S. & Krieg, H. A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu. The Journal of Chemical Physics 132, 154104 (2010).

209. Gajdos, M., Hummer, K., Kresse, G., Furthmuller, J. & Bechstedt, F. Linear optical properties in the projector-augmented wave methodology. Phys. Rev. B 73, 045112 (2006).

210. Mounet, N. et al. Two-dimensional materials from high-throughput computational exfoliation of experimentally known compounds. Nature Nanotech 13, 246-252 (2018).

211. Togo, A. & Tanaka, I. First principles phonon calculations in materials science. Scripta Materialia 108, 1-5 (2015).

212. Kohn, W. & Sham, L. J. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects. Phys. Rev. 140, A1133-A1138 (1965).

213. Kittel, C. Introduction to Solid State Physics. (Wiley, 1966).

214. Yang, S.-J. et al. Wafer-Scale Programmed Assembly of One-Atom-Thick Crystals. Nano Letters (2022) doi:10.1021/acs.nanolett.1c04139.

215. Tarrio, C. & Schnatterly, S. E. Interband transitions, plasmons, and dispersion in hexagonal boron nitride. Phys. Rev. B 40, 7852-7859 (1989).

216. Cao, Y. et al. Quality Heterostructures from Two-Dimensional Crystals Unstable in Air by Their Assembly in Inert Atmosphere. ACS Publications https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b00648 (2015) doi:10.1021/acs.nanolett.5b00648.

217. Kretinin, A. V. et al. Electronic Properties of Graphene Encapsulated with Different Two-Dimensional Atomic Crystals. Nano Lett. 14, 3270-3276 (2014).

218. Mishchenko, A. et al. Twist-controlled resonant tunnelling in graphene/boron nitride/graphene heterostructures. Nature Nanotech 9, 808-813 (2014).

219. Liu, H. et al. High-performance deep ultraviolet photodetectors based on few-layer hexagonal boron nitride. Nanoscale 10, 5559-5565 (2018).

220. Viti, L. et al. Thermoelectric graphene photodetectors with sub-nanosecond response times at terahertz frequencies. Nanophotonics 10, 89-98 (2021).

221. Song, S.-B. et al. Deep-ultraviolet electroluminescence and photocurrent generation in graphene/hBN/graphene heterostructures. Nat Commun 12, 7134 (2021).

222. Viti, L., Purdie, D. G., Lombardo, A., Ferrari, A. C. & Vitiello, M. S. HBN-Encapsulated, Graphene-based, Room-temperature Terahertz Receivers, with High Speed and Low Noise. Nano Lett. 20, 3169-3177 (2020).

223. Bandurin, D. A. et al. Resonant terahertz detection using graphene plasmons. Nat Commun 9, 5392 (2018).

224. Son, S.-K. et al. Graphene hot-electron light bulb: incandescence from hBN-encapsulated graphene in air. 2D Mater. 5, 011006 (2017).

225. Jia, Y. et al. Tunable Plasmon-Phonon Polaritons in Layered Graphene-Hexagonal Boron Nitride Heterostructures. ACS Photonics 2, 907-912 (2015).

226. Ni, G. X. et al. Fundamental limits to graphene plasmonics. Nature 557, 530-533 (2018).

227. Rigosi, A. F. et al. Measuring the dielectric and optical response of millimeter-scale amorphous and hexagonal boron nitride films grown on epitaxial graphene. 2D Mater. 5, 011011 (2017).

228. Rokni, H. & Lu, W. Direct measurements of interfacial adhesion in 2D materials and van der Waals heterostructures in ambient air. Nat Commun 11, 5607 (2020).

229. Son, S. et al. Strongly adhesive dry transfer technique for van der Waals heterostructure. 2D Mater. 7, 041005 (2020).

230. Zomer, P. J., Guimaraes, M. H. D., Brant, J. C., Tombros, N. & van Wees, B. J. Fast pick up technique for high quality heterostructures of bilayer graphene and hexagonal boron nitride. Applied Physics Letters 105, 013101 (2014).

231. Ermolaev, G. A. et al. Giant optical anisotropy in transition metal dichalcogenides for next-generation photonics. Nat Commun 12, 1-8 (2021).

232. Ermolaev, G. et al. Topological phase singularities in atomically thin high-refractive-index materials. Nat Commun 13, 2049 (2022).

233. Kananen, T. et al. Graphene Absorption Enhanced by Quasi-Bound-State-in-Continuum in Long-Wavelength Plasmonic-Photonic System. Advanced Optical Materials 10, 2201193 (2022).

234. Yao, Y. et al. Broad Electrical Tuning of Graphene-Loaded Plasmonic Antennas. Nano Lett. 13, 1257-1264 (2013).

235. Laturia, A., Van de Put, M. L. & Vandenberghe, W. G. Dielectric properties of hexagonal boron nitride and transition metal dichalcogenides: from monolayer to bulk. npj 2D Mater Appl 2, 1-7 (2018).

236. Raja, A. et al. Coulomb engineering of the bandgap and excitons in two-dimensional materials. Nat Commun 8, 15251 (2017).

237. Ma, Q., Ren, G., Xu, K. & Ou, J. Z. Tunable Optical Properties of 2D Materials and Their Applications. Advanced Optical Materials 9, 2001313 (2021).

238. Qiu, B. et al. Optical Properties of Graphene/MoS2 Heterostructure: First Principles Calculations. Nanomaterials 8, 962 (2018).

239. Ma, Y. et al. Optical parameters of graphene/MoS2 van der Waals heterostructure investigated by spectroscopic ellipsometry. Applied Surface Science 599, 153987 (2022).

240. Pham, K. D., Nguyen, C. Q., Nguyen, C. V., Cuong, P. V. & Hieu, N. V. Two-dimensional van der Waals graphene/transition metal nitride heterostructures as promising high-performance nanodevices. New J. Chem. 45, 5509-5516 (2021).

241. Ma, Y., Lu, S., Han, G., Liu, Y. & Chen, Z. Chemical vapor deposition of two-dimensional molybdenum nitride/graphene van der Waals heterostructure with enhanced electrocatalytic hydrogen evolution performance. Applied Surface Science 589, 152934 (2022).

242. Chen, W. et al. Anomalous layer-dependent electronic and piezoelectric properties of 2D GaInS3 nanosheets. Appl. Phys. Lett. 118, 213103 (2021).

243. Search - Access Structures. https://www.ccdc.cam.ac.uk/structures/.

244. Mortazavi, B. et al. First-Principles Multiscale Modeling of Mechanical Properties in Graphene/Borophene Heterostructures Empowered by Machine-Learning Interatomic Potentials. Advanced Materials 33, 2102807 (2021).

245. Mortazavi, B. et al. Exceptional piezoelectricity, high thermal conductivity and stiffness and promising photocatalysis in two-dimensional MoSi2N4 family confirmed by first-principles. Nano Energy 82, 105716 (2021).

246. Clark, S. J. et al. First principles methods using CASTEP. Zeitschrift fur Kristallographie - Crystalline Materials 220, 567-570 (2005).

247. Vu, T. V. et al. Novel Janus GaInX3 (X = S, Se, Te) single-layers: first-principles prediction on structural, electronic, and transport properties. RSC Adv. 12, 7973-7979 (2022).

248. Ermolaev, G. A., Yakubovsky, D. I., Stebunov, Y. V., Arsenin, A. V. & Volkov, V. S. Spectral ellipsometry of monolayer transition metal dichalcogenides: Analysis of excitonic peaks in dispersion. Journal of Vacuum Science & Technology B 38, 014002 (2020).

249. Tompkins H. G., Hilfiker J. N. Spectroscopic Ellipsometry: Practical Application to Thin Film Characterization. (2015).

250. Heyd, J., Scuseria, G. E. & Ernzerhof, M. Hybrid functionals based on a screened Coulomb potential. J. Chem. Phys. 118, 8207-8215 (2003).

251. Haug H., Koch S.W. Quantum Theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors. (World Scientific, World Scientific, 1993).

252. Herzinger, C. M., Johs, B., McGahan, W. A., Woollam, J. A. & Paulson, W. Ellipsometric determination of optical constants for silicon and thermally grown

silicon dioxide via a multi-sample, multi-wavelength, multi-angle investigation. Journal of Applied Physics 83, 3323-3336 (1998).

253. Tiwald, T. E. & Schubert, M. Measurement of rutile TiO2 dielectric tensor from 0.148 to 33 um using generalized ellipsometry. in Optical Diagnostic Methods for Inorganic Materials II vol. 4103 19-29 (SPIE, 2000).

254. Ermolaev, G. A., Kushnir, S. E., Sapoletova, N. A. & Napolskii, K. S. Titania Photonic Crystals with Precise Photonic Band Gap Position via Anodizing with Voltage versus Optical Path Length Modulation. Nanomaterials 9, 651 (2019).

255. Khmelevskaia, D. et al. Directly grown crystalline gallium phosphide on sapphire for nonlinear all-dielectric nanophotonics. Appl. Phys. Lett. 118, 201101 (2021).

256. Ermolaev, G. A. et al. Broadband Optical Constants and Nonlinear Properties of SnS2 and SnSe2. Nanomaterials 12, 141 (2022).

257. Kruk, S. & Kivshar, Y. Functional Meta-Optics and Nanophotonics Governed by Mie Resonances. ACS Photonics 4, 2638-2649 (2017).

258. Kivshar, Y. The Rise of Mie-tronics. Nano Lett. 22, 3513-3515 (2022).

259. Khurgin, J. B. Expanding the Photonic Palette: Exploring High Index Materials. ACS Photonics 9, 743-751 (2022).

260. Dorrah, A. H., Rubin, N. A., Tamagnone, M., Zaidi, A. & Capasso, F. Structuring total angular momentum of light along the propagation direction with polarization-controlled meta-optics. Nat Commun 12, 6249 (2021).

261. Hu, F. et al. Imaging exciton-polariton transport in MoSe2 waveguides. Nature Photon 11, 356-360 (2017).

262. Tselikov, G. I. et al. Transition metal dichalcogenide nanospheres for high-refractive-index nanophotonics and biomedical theranostics. Proceedings of the National Academy of Sciences 119, e2208830119 (2022).

263. Dorrah, A. H. & Capasso, F. Tunable structured light with flat optics. Science 376, eabi6860 (2022).

264. Segal, G. A. Organic transition states. III. Ab initio study of the pyrolysis of cyclobutane via the tetramethylene diradical. J. Am. Chem. Soc. 96, 7892-7898 (1974).

265. Kvashnin, A. G., Chernozatonskii, L. A., Yakobson, B. I. & Sorokin, P. B. Phase Diagram of Quasi-Two-Dimensional Carbon, From Graphene to Diamond. Nano Lett. 14, 676-681 (2014).

266. Chernozatonskii, L. A., Demin, V. A., Kvashnin, A. G. & Kvashnin, D. G. Diamane quasicrystals. Applied Surface Science 572, 151362 (2022).

267. Huabing Shu. Strain effects on stability, electronic and optical properties of two-dimensional C4X2 (X = F, Cl, Br). J. Mater. Chem 13, (2021).

268. Avramov, P. V. & Kuklin, A. V. Topological and quantum stability of low-dimensional crystalline lattices with multiple nonequivalent sublattices*. New J. Phys. 24, 103015 (2022).

269. Ding, Y. & Wang, Y. Density Functional Theory Study of the Silicene-like SiX and XSi3 (X = B, C, N, Al, P) Honeycomb Lattices: The Various Buckled Structures and Versatile Electronic Properties. J. Phys. Chem. C 117, 18266-18278 (2013).

270. Chernozatonskii, L. A. et al. Influence of Size Effect on the Electronic and Elastic Properties of Diamond Films with Nanometer Thickness. J. Phys. Chem. C 115, 132136 (2011).

271. Wei, X., Fragneaud, B., Marianetti, C. A. & Kysar, J. W. Nonlinear elastic behavior of graphene: Ab initio calculations to continuum description. Phys. Rev. B 80, 205407 (2009).

272. Wang, S., Li, J., Zhu, X. & Wang, M. A new two-dimensional semiconducting carbon allotrope: A first-principles study. Carbon 143, 517-522 (2019).

273. Shang, J., Pan, L., Wang, X., Li, J. & Wei, Z. Tunable electric properties of bilayer InSe with different interlayer distances and external electric field. Semicond. Sci. Technol. 33, 034002 (2018).

274. Chernozatonskii, L. A., Sorokin, P. B., Kvashnin, A. G. & Kvashnin, D. G. Diamond-like C2H nanolayer, diamane: Simulation of the structure and properties. Jetp Lett. 90, 134-138 (2009).

275. Sorokin, P. B. & Yakobson, B. I. Two-Dimensional Diamond—Diamane: Current State and Further Prospects. Nano Lett. 21, 5475-5484 (2021).