ในวิทยาศาสตร์วัสดุคำว่าวัสดุชั้นเดียวหรือวัสดุ 2 มิติหมายถึง ของแข็ง ผลึกที่ประกอบด้วยอะตอมเพียงชั้นเดียว ในความหมายที่กว้างกว่านั้น วัสดุเหล่านี้ยังรวมถึงโครงสร้างที่แต่ละชั้นอะตอมยึดติดกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างชั้นแบบแวนเดอร์วาลส์ วัสดุเหล่านี้มีศักยภาพในการใช้งานบางอย่าง แต่ยังคงเป็นจุดสนใจของการวิจัย วัสดุชั้นเดียวที่ได้จากธาตุเดี่ยวโดยทั่วไปจะมีคำต่อท้ายว่า -ene เช่นกราฟีนวัสดุชั้นเดียวที่เป็นสารประกอบของธาตุสองชนิดขึ้นไปจะมีคำต่อท้ายว่า -ane หรือ -ide วัสดุ 2 มิติโดยทั่วไปสามารถแบ่งได้เป็นไอโซโทป 2 มิติของธาตุต่างๆ หรือเป็นสารประกอบ (ประกอบด้วยธาตุสองชนิดขึ้นไปที่ยึดติดกันด้วยพันธะโควาเลนต์ )

มีการคาดการณ์ว่ามีวัสดุชั้นเดียวที่เสถียรหลายร้อยชนิดโครงสร้างอะตอมและคุณสมบัติพื้นฐานที่คำนวณได้ของวัสดุชั้นเดียวเหล่านี้และวัสดุชั้นเดียวอื่นๆ ที่อาจสังเคราะห์ได้ สามารถพบได้ในฐานข้อมูลการคำนวณวัสดุ 2 มิติสามารถผลิตได้โดยใช้สองวิธีหลัก ได้แก่ การลอกชั้นจากบนลงล่างและการสังเคราะห์จากล่างขึ้นบนการลอกชั้นหมายถึงการลดปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นของแรงแวนเดอร์วาลส์ในวัสดุชั้นเดียว ทำให้ชั้นโมโนเลเยอร์หลุดออกจากพื้นผิวของตัวอย่าง วิธีการลอกชั้น ได้แก่การใช้คลื่นเสียงการใช้กลไก การใช้ความร้อน การใช้ไฟฟ้าเคมี การใช้เลเซอร์ช่วย และการใช้ไมโครเวฟช่วย

กราฟีน

กราฟีนเป็นผลึก ของคาร์บอนในรูปของแผ่นบางเพียงอะตอมเดียวที่เกือบโปร่งใส (ต่อแสงที่มองเห็นได้) มีความแข็งแรงกว่าเหล็กส่วนใหญ่หลายร้อยเท่าเมื่อเทียบตามน้ำหนักมีค่าการนำความร้อนและการนำไฟฟ้าสูงที่สุดเท่าที่ทราบ โดยแสดงความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูงกว่าทองแดง ถึง 1,000,000 เท่า ผลิตขึ้นครั้งแรกในปี 2547

Andre GeimและKonstantin Novoselovได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำ ปี 2010 "จากการทดลองที่ก้าวล้ำเกี่ยวกับวัสดุสองมิติอย่างกราฟีน" พวกเขาผลิตกราฟีนเป็นครั้งแรกโดยการยกเกล็ดกราฟีนจากกราไฟต์ก้อนใหญ่ด้วยเทปกาวแล้วจึงถ่ายโอนไปยังแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน

กราฟีน

กราฟีนเป็นอัลโลโทรปของคาร์บอน 2 มิติอีกชนิดหนึ่งที่มีโครงสร้างคล้ายกับกราฟีน สามารถมองได้ว่าเป็นโครงตาข่ายของวงแหวนเบนซีน ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะ อะเซทิลีนขึ้นอยู่กับปริมาณของกลุ่มอะเซทิลีน กราฟีนสามารถถือได้ว่าเป็นไฮบริดไดเซชัน แบบผสม sp โดยที่ 1 < n < 2 เมื่อเปรียบเทียบกับกราฟีน (sp บริสุทธิ์ ) และเพชร (sp บริสุทธิ์)

มีการคาดการณ์ถึงการมีอยู่ของกราฟีนก่อนปี 1960 ในปี 2010 กราฟไดไยน (กราฟีนที่มี กลุ่ม ไดอะเซทิลีน ) ได้รับการสังเคราะห์บนพื้นผิวทองแดง ในปี 2022 ทีมงานอ้างว่าประสบความสำเร็จในการใช้ เมตาธีซิส ของอัลไคน์เพื่อสังเคราะห์กราฟีน แม้ว่าข้ออ้างนี้จะถูกโต้แย้งอย่างไรก็ตาม หลังจากการตรวจสอบ บทความของทีมงานถูกถอนออกโดยสำนักพิมพ์โดยอ้างถึงข้อมูลที่สร้างขึ้น ต่อมาในปี 2022 การสังเคราะห์ γ-กราฟีนหลายชั้นประสบความสำเร็จผ่านการพอลิเมอไรเซชันของ 1,3,5-ไตรโบรโม-2,4,6-ไตรเอทินิลเบนซีนภายใต้สภาวะการเชื่อมต่อแบบโซโนกาชิระ เมื่อเร็วๆ นี้ มีการอ้าง ว่า เป็นคู่แข่งของกราฟีนเนื่องจากศักยภาพของกรวยดิแรก แบบขึ้นอยู่กับทิศทาง

โบโรฟีนเป็นชั้น อะตอมเดี่ยวที่เป็นผลึก ของโบรอนและเรียกอีกอย่างว่าแผ่นโบรอนมีการทำนายครั้งแรกโดยทฤษฎีในช่วงกลางทศวรรษ 1990 ในสถานะอิสระและต่อมาได้รับการพิสูจน์เป็นชั้นอะตอมเดี่ยวที่แตกต่างกันบนพื้นผิวโดย Zhang et al. โครงสร้างโบโรฟีนที่แตกต่างกันได้รับการยืนยันจากการทดลองในปี 2015 การคำนวณหลักการพื้นฐานทำนายว่าโบโรฟีนเฟส Kagome สองชั้นเป็นตัวนำยิ่งยวดแบบไม่สมมาตรที่มีการเชื่อมต่ออิเล็กตรอน-โฟนอนที่แข็งแกร่งและอุณหภูมิวิกฤตอยู่ในช่วง 17-35K

เจอร์มานีนเป็นอัลโลโทรปสองมิติของเจอร์มาเนียมที่มีโครงสร้างรังผึ้งโค้งงอ เจอร์มานีนที่สังเคราะห์ขึ้นในทางทดลองแสดงให้เห็นโครงสร้างรังผึ้ง โครงสร้าง รังผึ้ง นี้ประกอบด้วย ซับแลตติซ หกเหลี่ยม สองอัน ที่เลื่อนในแนวตั้ง 0.2 อังสตรอมจากกันการทดลองแสดงให้เห็นว่าสถานะขอบควอนตัมสปินฮอลล์ของเจอร์มานีนยังคงอยู่ที่อุณหภูมิห้องและสามารถปิดได้ด้วยสนามไฟฟ้า ซึ่งบ่งชี้ถึงเฟสทางทอพอโลยีที่แข็งแกร่งและปรับแต่งได้สูง

ซิลิซีนเป็นไอโซโทปสองมิติของซิลิคอนที่มีโครงสร้างรังผึ้งหกเหลี่ยมคล้ายกับกราฟีนการเติบโตของซิลิซีนได้รับการสนับสนุนโดยโลหะผสมพื้นผิว Si/Ag(111) ที่แพร่กระจายอยู่ใต้ชั้นสองมิติด้วยการสร้างซิลิซีนระหว่างชั้นบัฟเฟอร์ดีบุกสองมิติ ทำให้ได้แผ่นซิลิซีนที่ห่อหุ้มซึ่งมีความเสถียรในอากาศ

สแตนีนเป็นฉนวนทอพอโลยีที่ คาดการณ์ไว้ ซึ่งอาจแสดงกระแสไฟฟ้าที่ไม่มีการสูญเสียที่ขอบใกล้กับอุณหภูมิห้องประกอบด้วย อะตอม ดีบุกที่เรียงตัวเป็นชั้นเดียวในลักษณะคล้ายกับกราฟีนโครงสร้างที่โค้งงอทำให้เกิดปฏิกิริยาสูงต่อมลพิษทางอากาศทั่วไป เช่น NO _xและ CO _xและสามารถดักจับและแยกสารเหล่านี้ได้ที่อุณหภูมิต่ำ การกำหนดโครงสร้างของสแตนีนโดยใช้การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนพลังงานต่ำแสดงให้เห็นสแตนีนที่แบนราบเป็นพิเศษบนพื้นผิว Cu(111)

พลัมบีนเป็นแอลโลโทรปสองมิติของตะกั่วที่มีโครงสร้างรังผึ้งหกเหลี่ยมคล้ายกับกราฟีนเนื่องจากมีมวลอะตอมมากและการเชื่อมต่อสปิน-ออร์บิตที่แข็งแกร่ง พลัมบีนจึงคาดว่าจะมีช่องว่างแถบพลังงานประมาณ 0.2 eV และมีพฤติกรรมเป็นฉนวนทอพอโลยีสองมิติที่แข็งแกร่ง ซึ่งอาจทำให้เกิดปรากฏการณ์ควอนตัมสปินฮอลล์ที่อุณหภูมิห้อง ได้

ฟอสฟอรีนเป็นไอโซโทปผลึก 2 มิติของฟอสฟอรัสโครงสร้างหกเหลี่ยมอะตอมเดี่ยวทำให้มีลักษณะคล้ายกับกราฟีน อย่างไรก็ตาม ฟอสฟอรีนมีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างกันอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีช่องว่างแถบพลังงานที่ไม่เป็นศูนย์ในขณะที่แสดงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงคุณสมบัตินี้อาจทำให้เป็นสารกึ่งตัวนำที่ดีกว่ากราฟีน การสังเคราะห์ฟอสฟอรีนส่วนใหญ่ประกอบด้วยการแยกด้วยกลไกขนาดเล็กหรือวิธีการลอกชั้นในเฟสของเหลว วิธีแรกมีผลผลิตต่ำ ในขณะที่วิธีหลังผลิตนาโนชีทแบบตั้งอิสระในตัวทำละลายและไม่ใช่บนตัวรองรับของแข็ง วิธีการแบบจากล่างขึ้นบน เช่นการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD) ยังคงไม่มีการใช้งานเนื่องจากปฏิกิริยาสูง ดังนั้นในสถานการณ์ปัจจุบัน วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดสำหรับการผลิตฟิล์มบางของฟอสฟอรีนในพื้นที่ขนาดใหญ่คือเทคนิคการประกอบแบบเปียก เช่นLangmuir-Blodgettซึ่งเกี่ยวข้องกับการประกอบตามด้วยการตกตะกอนของนาโนชีทบนตัวรองรับของแข็ง

แอนติโมนีนเป็นแอลโลโทรปสองมิติของแอนติโมนีโดยอะตอมของมันเรียงตัวกันเป็นโครงสร้างตาข่ายรังผึ้งที่โค้งงอ การคำนวณทางทฤษฎีทำนายว่าแอนติโมนีนจะเป็นสารกึ่งตัวนำที่เสถียรในสภาวะแวดล้อมปกติและมีประสิทธิภาพที่เหมาะสมสำหรับ (ออปโต)อิเล็กทรอนิกส์ แอนติโมนีนถูกแยกออกมาครั้งแรกในปี 2016 โดยการแยกชั้นด้วยกลไกขนาดเล็กและพบว่ามีความเสถียรมากในสภาวะแวดล้อมปกติ คุณสมบัติของมันทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานด้านชีวการแพทย์และพลังงาน

แอนติโมนีนแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมทั้งในด้านการจัดเก็บพลังงานและการใช้งานการตรวจจับทางเคมีไฟฟ้า ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ อิเล็กโทรดที่ใช้แอนติโมนีนสามารถบรรลุความจุจำเพาะสูง (~1578F g ) พร้อมกับความหนาแน่นของพลังงาน 20 Wh/kg และความหนาแน่นของกำลัง 4.8 kW/kg นอกจากนี้ แอนติโมนีนยังถูกรวมเข้ากับแพลตฟอร์มการวิเคราะห์ทางไฟฟ้าเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจจับสารวิเคราะห์

บิสมูทีนเป็นฉนวนทอพอโลยีสองมิติที่เกิดจาก โครงสร้างตาข่าย รังผึ้งของอะตอมบิสมัท ซึ่งสังเคราะห์ขึ้นครั้งแรกบนซิลิคอนคาร์ไบด์ในปี 2016 ช่องว่างแถบพลังงานขนาดใหญ่ (~800 mV) ซึ่งเกิดจากแรงคู่ควบสปิน-ออร์บิตที่แข็งแกร่ง ช่วยสนับสนุนพฤติกรรมควอนตัมสปินฮอลล์ที่ อุณหภูมิห้อง ทำให้เป็นหนึ่งในฉนวนทอพอโลยีสองมิติที่มีสถานะธรรมชาติที่แข็งแกร่งที่สุดมีรายงานการลอกชั้นบิสมูทีนจากบนลงล่างในหลายกรณีโดยงานวิจัยล่าสุดส่งเสริมการนำบิสมูทีนไปใช้ในสาขาการตรวจจับทางเคมีไฟฟ้าการศึกษาทางกลของบิสมูทีนเผยให้เห็นว่าวัสดุนี้รวมความแข็งแรงในการแตกหักสูง ความแข็งปานกลาง และการนำความร้อนต่ำทำให้เป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่งสำหรับอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกและนาโนอิเล็กทรอนิกส์

เมื่อวันที่ 16 เมษายน 2567 นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัย Linköpingในสวีเดนรายงานว่าพวกเขาได้ผลิตgoldene ซึ่งเป็นชั้นอะตอม ทองคำชั้นเดียวที่มีความกว้าง 100 นาโนเมตรLars Hultmanนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุในทีมวิจัยใหม่นี้กล่าวว่า "เราเชื่อว่า goldene เป็นโลหะ 2 มิติแบบอิสระชนิดแรกเท่าที่เราทราบ" ซึ่งหมายความว่ามันไม่ได้ยึดติดกับวัสดุอื่นใด ต่างจากplumbeneและstaneneนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนิวยอร์กอาบูดาบี (NYUAD)เคยรายงานว่าได้สังเคราะห์ Goldene ในปี 2565 อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ หลายคนโต้แย้งว่าทีม NYUAD ล้มเหลวในการพิสูจน์ว่าพวกเขาสร้างแผ่นทองคำชั้นเดียว ไม่ใช่แผ่นหลายชั้น คาดว่า Goldene จะถูกนำไปใช้ประโยชน์หลักๆ จากคุณสมบัติทางแสง โดยมีแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การตรวจจับหรือเป็น ตัว เร่งปฏิกิริยา

มีการสาธิต ชั้นอะตอมเดี่ยวและคู่ของแพลทินัมในโครงสร้างฟิล์มสองมิติฟิล์มแพลทินัมบางระดับอะตอมเหล่านี้ เติบโต แบบเอพิ แทกเซียลบ นกราฟีนซึ่งทำให้เกิดแรงกดอัดที่ปรับเปลี่ยนเคมีพื้นผิวของแพลทินัม ในขณะเดียวกันก็อนุญาตให้มีการถ่ายโอนประจุผ่านกราฟีนชั้นอะตอมเดี่ยวของแพลเลเดียมที่มีความหนาถึง 2.6 Å และโรเดียมที่มีความหนาน้อยกว่า 4 Å ได้รับการสังเคราะห์และวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน

ไทเทเนียม 2 มิติที่ขึ้นรูปด้วยการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ ( การหลอมผงด้วยเลเซอร์ ) มีความแข็งแรงมากกว่าวัสดุใดๆ ที่รู้จัก (มากกว่าโลหะผสมแมกนีเซียม WE54 ถึง 50%) วัสดุนี้ถูกจัดเรียงเป็นโครงสร้างตาข่ายท่อที่มีแถบบางๆ วิ่งอยู่ภายใน ผสานโครงสร้างตาข่ายเสริมสองโครงสร้างเข้าด้วยกัน ซึ่งช่วยลดความเครียดที่จุดที่อ่อนแอที่สุดในโครงสร้างลงครึ่งหนึ่ง

ได้มีการเสนอและจำลองผลึกเหนือระดับของวัสดุ 2 มิติในเชิงทฤษฎีผลึกชั้นเดียวเหล่านี้สร้างขึ้นจากโครงสร้างอะตอมเหนือระดับเป็นระยะ โดยที่อะตอมในโหนดของแลตทิซจะถูกแทนที่ด้วยคอมเพล็กซ์สมมาตร ตัวอย่างเช่น ในโครงสร้างหกเหลี่ยมของกราฟีน รูปแบบของอะตอมคาร์บอน 4 หรือ 6 อะตอมจะถูกจัดเรียงเป็นรูปหกเหลี่ยมแทนที่จะเป็นอะตอมเดี่ยว เป็นโหนดที่ซ้ำกันในเซลล์ หน่วย

โลหะผสมสองมิติ (หรือโลหะผสมพื้นผิว) คือชั้นอะตอมเดี่ยวของโลหะผสมที่ไม่สอดคล้องกับพื้นผิวรองรับ ตัวอย่างหนึ่งคือโลหะผสมแบบเรียงตัวสองมิติของ Pb กับ Sn และกับ Bi พบว่าโลหะผสมพื้นผิวทำหน้าที่เป็นโครงสร้างรองรับชั้นสองมิติ เช่นในกรณีของซิลิซีน

• แผ่นนาโนโบรอนไนไตรด์
• นาโนชีทไททาเนต
• โบโรคาร์บอนไนไตรด์
• MXenes
• ซิลิกา 2 มิติ
• ไนโอเบียมโบรไมด์และไนโอเบียมคลอไรด์ ( Nb)₃[X]₈)

MoS₂แบบชั้นเดียว_ซึ่งเป็นไดแคลโคเจนิกโลหะทรานซิชันต้นแบบ (TMD) ประกอบด้วยอะตอมโมลิบเดนัมชั้นเดียวที่อยู่ระหว่างอะตอมซัลเฟอร์สองชั้นในโครงสร้างตาข่ายหกเหลี่ยม มีความหนา 0.65 นาโนเมตร แต่มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่โดดเด่น แตกต่างจาก MoS₂ แบบก้อน_ซึ่งมีช่องว่างแถบพลังงานทางอ้อม 1.2 eV แต่แบบชั้นเดียวนี้เป็นสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างแถบพลังงานโดยตรงประมาณ 1.8 eV ช่องว่างแถบพลังงานโดยตรงนำไปสู่การเพิ่มประสิทธิภาพในการเรืองแสงอย่างมาก ซึ่งหมายความว่ามันเปล่งแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าวัสดุแบบก้อน

MoS ₂ แบบชั้นเดียว ยังขาดสมมาตรแบบผกผัน ซึ่งเชื่อมโยงสปินของอิเล็กตรอนกับสถานะหุบเขาที่แตกต่างกันคุณสมบัติโครงสร้างและอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นเอกลักษณ์เหล่านี้ทำให้สามารถใช้งานได้หลากหลายในแอปพลิเคชันต่างๆ

MoS ₂โมโนเลเยอร์ถูกนำมาใช้สร้างทรานซิสเตอร์แบบฟิลด์เอฟเฟกต์ที่มีอัตราส่วนกระแสเปิด/ปิดสูงช่องว่างแถบพลังงานโดยตรงของโมโนเลเยอร์ทำให้เกิดโฟโตดีเทคเตอร์ที่มีประสิทธิภาพและมีความไวสูงในช่วงแสงที่มองเห็นได้นอกจากนี้ ความหนาในระดับอะตอมและความยืดหยุ่นทางกลทำให้เป็นวัสดุที่ดีสำหรับวงจรแบบยืดหยุ่นหรือเซ็นเซอร์แบบสวมใส่ได้

MoS ₂มีบทบาทสำคัญในการเร่งปฏิกิริยา ขอบของโมโนเลเยอร์ MoS ₂ทำหน้าที่เป็นจุดที่เกิดปฏิกิริยาทางเคมีด้วยเหตุนี้ การออกแบบและการผลิตอุปกรณ์จึงอาจต้องคำนึงถึงการเพิ่มพื้นที่ผิวเร่งปฏิกิริยาให้สูงสุด เช่น การใช้อนุภาคนาโนขนาดเล็กแทนแผ่นขนาดใหญ่หรือการวางแผ่นในแนวตั้งแทนแนวนอน

ในขณะที่กราฟีนมีโครงสร้างตาข่ายรังผึ้งหกเหลี่ยมที่มีพันธะคู่สลับกันเกิดขึ้นจากคาร์บอนที่เชื่อมต่อด้วยพันธะ sp กราฟีนซึ่งยังคงรักษาโครงสร้างหกเหลี่ยมไว้ เป็นกราฟีนเวอร์ชันที่มีไฮโดรเจนอย่างสมบูรณ์ โดยคาร์บอนที่ไฮบริดด้วยพันธะ sp ทุกตัว จะเชื่อมต่อกับไฮโดรเจน (สูตรเคมีคือ (CH) _n ) ยิ่งไปกว่านั้น ในขณะที่กราฟีนเป็นระนาบเนื่องจากลักษณะของพันธะคู่ กราฟีนกลับมีลักษณะขรุขระ โดยรูปหกเหลี่ยมจะปรับเปลี่ยนโครงสร้างนอกระนาบในรูปแบบต่างๆ เช่น เก้าอี้หรือเรือ เพื่อให้ได้มุม 109.5° ที่เหมาะสม ซึ่งช่วยลดความเครียดของวงแหวน ในลักษณะที่คล้ายคลึงกับโครงสร้างของไซโคลเฮกเซนโดยตรง

กราฟีนได้รับการตั้งทฤษฎีขึ้นครั้งแรกในปี 2546 และ ได้รับการพิสูจน์ว่ามีความเสถียรโดยใช้การคำนวณพลังงานตามหลักการพื้นฐานในปี 2550 และได้รับการสังเคราะห์ขึ้นในเชิงทดลองครั้งแรกในปี 2552 มีวิธีการทดลองต่างๆ มากมายสำหรับการสร้างกราฟีน รวมถึงวิธีการแบบ top-down เช่น การลดกราไฟต์ในสารละลายหรือการเติมไฮโดรเจนให้กับกราไฟต์โดยใช้พลาสมา/ก๊าซไฮโดรเจน ตลอดจนวิธีการแบบ bottom-up เช่น การตกตะกอนไอสารเคมีกราฟีนเป็นฉนวน โดยมีช่องว่างพลังงานที่คาดการณ์ไว้ที่ 3.5 eV อย่างไรก็ตาม กราฟีนที่ถูกเติมไฮโดรเจนบางส่วนเป็นสารกึ่งตัวนำ โดยช่องว่างพลังงานจะถูกควบคุมโดยระดับของการเติมไฮโดรเจน

เจอร์มาเนนเป็นผลึกชั้นเดียวที่ประกอบด้วยเจอร์มาเนียมโดยมีไฮโดรเจนหนึ่งอะตอมยึดติดในทิศทาง z สำหรับแต่ละอะตอมโครงสร้างของเจอร์มาเนนคล้ายกับกราฟีนเจอร์มาเนียมในรูปของสารเนื้อเดียวกันไม่ได้มีโครงสร้างแบบนี้ เจอร์มาเนนผลิตขึ้นในสองขั้นตอนโดยเริ่มจากแคลเซียมเจอร์มาไนด์จากวัสดุนี้แคลเซียม (Ca) จะถูกกำจัดออกโดยการแทรกด้วย HCl เพื่อให้ได้ของแข็งแบบชั้นที่มีสูตรเชิงประจักษ์ GeH ตำแหน่ง Ca ในเฟส Zintl CaGe ₂ จะแลกเปลี่ยนกับอะตอมไฮโดรเจนในสารละลาย HCl ทำให้ เกิด GeH และ CaCl ₂

SLSiN (ตัวย่อของSingle - Layer Silicon Nitride ) ซึ่ง เป็นวัสดุ 2 มิติชนิดใหม่ที่ได้รับการแนะนำให้เป็นสมาชิกหลังกราฟีนตัวแรกของ Si3N4 ถูก_ค้นพบ_{ครั้ง}แรกโดยการคำนวณในปี 2020 ผ่านการจำลองตามทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่นวัสดุใหม่นี้มีลักษณะเป็น 2 มิติ เป็นฉนวนที่มีช่องว่างแถบพลังงานประมาณ 4 eV และมีเสถียรภาพทั้งทางอุณหพลศาสตร์และในแง่ของพลศาสตร์ของแลตติส

โมโนเลเยอร์โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (h-BN) เป็นวัสดุสองมิติที่คล้ายกับกราฟีน ประกอบด้วยโครงสร้างตาข่ายรังผึ้งระนาบของอะตอมโบรอนและไนโตรเจนสลับกัน โดยมีค่าคงที่ของตาข่ายเกือบเท่ากับกราฟีนโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยมมีพันธะโควาเลนต์ sp ที่แข็งแรง ภายในชั้น และมีการเชื่อมต่อแบบแวนเดอร์วาลส์ ที่อ่อนแอ ระหว่างชั้น ทำให้เกิดความไม่สมมาตรที่เด่นชัด โมโนเลเยอร์ hBN เป็นฉนวนไฟฟ้าที่มีช่องว่างแถบกว้าง ~5.9-6.4 eV นอกจากนี้ hBN ชั้นเดียวแสดงช่องว่างแถบโดยตรง ในขณะที่ hBN หลายชั้นและแบบก้อนมีช่องว่างโดยอ้อม และแสดงการเรืองแสงที่รุนแรงในช่วง UV เนื่องจากเอ็กซิตอนที่ยึดแน่นนอกจากนี้ยังแสดงการนำความร้อนในระนาบที่ดีเยี่ยมและความแข็งแรงเชิงกลที่โดดเด่น โดยมีโมดูลัสของยัง ~0.8 TPa และความแข็งแรงในการแตกหัก ~70 GPa

โดยทั่วไป วัสดุชั้นเดียว โดยเฉพาะธาตุอัลโลโทรป จะเชื่อมต่อกับพื้นผิวรองรับผ่านโลหะผสมบนพื้นผิวในปัจจุบัน ปรากฏการณ์นี้ได้รับการพิสูจน์แล้วผ่านการผสมผสานเทคนิคการวัดที่แตกต่างกันสำหรับซิลิซีนซึ่งโลหะผสมนั้นยากที่จะพิสูจน์ได้ด้วยเทคนิคเดียว และด้วยเหตุนี้จึงไม่เป็นที่คาดหวังมาเป็นเวลานาน ดังนั้น โลหะผสมบนพื้นผิวที่เป็นโครงสร้างรองรับใต้วัสดุสองมิติ จึงคาดว่าจะพบได้ใต้วัสดุสองมิติอื่นๆ ด้วยเช่นกัน ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติของชั้นสองมิติอย่างมีนัยสำคัญ ในระหว่างการเติบโต โลหะผสมทำหน้าที่ทั้งเป็นฐานและโครงสร้างรองรับสำหรับชั้นสองมิติ ซึ่งเป็นทางให้

Ni ₃ (HITP) ₂เป็นตัวนำไฟฟ้าอินทรีย์ผลึกที่มีโครงสร้างที่ปรับแต่งได้และมีพื้นที่ผิวสูง HITP เป็นสารเคมีอินทรีย์ (2,3,6,7,10,11-hexaamino triphenylene ) มี โครงสร้าง รังผึ้งหกเหลี่ยม คล้ายกับกราฟีน ชั้นหลายชั้นก่อตัวเป็นกองเรียงตัวอย่างสมบูรณ์แบบตามธรรมชาติ โดยมีช่องเปิดขนาด 2 นาโนเมตรที่เหมือนกันอยู่ตรงกลางของรูปหกเหลี่ยม ค่าการนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้องอยู่ที่ประมาณ 40  S  cm ซึ่งเทียบได้กับกราไฟต์แบบก้อนและอยู่ในกลุ่มค่าการนำไฟฟ้าที่สูงที่สุดสำหรับโครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOFs) ใดๆ การนำไฟฟ้าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแบบเชิงเส้นที่อุณหภูมิระหว่าง 100 K ถึง 500 K ซึ่งบ่งชี้ถึงกลไกการขนส่งประจุที่ผิดปกติซึ่งไม่เคยพบมาก่อนใน สารกึ่ง ตัวนำอินทรีย์

มีการอ้างว่าวัสดุนี้เป็นวัสดุแรกในกลุ่มที่เกิดจากการสลับโลหะและ/หรือสารประกอบอินทรีย์ วัสดุนี้สามารถแยกได้ในรูปผงหรือฟิล์ม โดยมีค่าการนำไฟฟ้า 2 และ 40 S cm ตามลำดับ

โดยใช้เมลามีน (โครงสร้างวงแหวนคาร์บอนและไนโตรเจน) เป็นโมโนเมอร์นักวิจัยได้สร้าง 2DPA-1 ซึ่งเป็นแผ่นพอลิเมอร์ 2 มิติที่ยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนแผ่นนี้ก่อตัวขึ้นเองในสารละลาย ทำให้สามารถเคลือบฟิล์มบางได้ด้วยวิธีการหมุนเหวี่ยง พอลิเมอร์นี้มีความแข็งแรงของจุดครากเป็นสองเท่าของเหล็ก และทนต่อแรงเสียรูปได้มากกว่ากระจกกันกระสุนถึง หกเท่า นอกจากนี้ยังไม่สามารถซึมผ่านก๊าซและของเหลวได้

วัสดุ 2 มิติชั้นเดียวสามารถนำมาประกอบกันเป็นโครงสร้างแบบหลายชั้นได้ ตัวอย่างเช่นกราฟีนสองชั้นเป็นวัสดุที่ประกอบด้วยกราฟีน สองชั้น รายงานแรกๆ เกี่ยวกับกราฟีนสองชั้นปรากฏในบทความสำคัญใน วารสาร Science ปี 2004 โดยGeimและเพื่อนร่วมงาน ซึ่งพวกเขาอธิบายถึงอุปกรณ์ "ที่ประกอบด้วยอะตอมเพียงหนึ่ง สอง หรือสามชั้น" การรวมกันของวัสดุ 2 มิติที่แตกต่างกันแบบหลายชั้นโดยทั่วไปเรียกว่าโครงสร้างเฮเทอโรแบบแวนเดอร์วาลส์ทวิสโทรนิกส์คือการศึกษาว่ามุม (การบิด) ระหว่างชั้นของวัสดุสองมิติสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุเหล่านั้นได้อย่างไร

เทคนิคกล้องจุลทรรศน์ เช่นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านการกล้องจุลทรรศน์แบบสแกน [ 102 สแกนอุโมงค์ [ และกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดลักษณะความหนาและขนาดของวัสดุ 2 มิติ คุณสมบัติทางไฟฟ้าและคุณสมบัติเชิงโครงสร้าง เช่น องค์ประกอบและข้อบกพร่อง ถูกกำหนดลักษณะโดยสเปกโทรสโกปีรามานการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ 100 โกปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอก

การหาลักษณะเฉพาะทางกลของวัสดุ 2 มิติเป็นเรื่องยากเนื่องจากปฏิกิริยาของสภาพแวดล้อมและข้อจำกัดของพื้นผิวที่มีอยู่ในวัสดุ 2 มิติหลายชนิด ด้วยเหตุนี้ คุณสมบัติทางกลหลายอย่างจึงคำนวณโดยใช้ การจำลอง พลศาสตร์โมเลกุลหรือ การจำลอง กลศาสตร์โมเลกุลการหาลักษณะเฉพาะทางกลเชิงทดลองเป็นไปได้ในวัสดุ 2 มิติที่สามารถทนต่อสภาวะของการตั้งค่าการทดลองได้ เช่นเดียวกับที่สามารถวางบนพื้นผิวที่เหมาะสมหรือมีอยู่ในรูปแบบที่ตั้งอิสระ วัสดุ 2 มิติหลายชนิดยังมีการเสียรูปนอกระนาบซึ่งทำให้การวัดซับซ้อนยิ่งขึ้น

การทดสอบ การกดแบบนาโน (Nanoindentation)เป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปในการวัดค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นความแข็งและความแข็งแรงในการแตกหักของวัสดุ 2 มิติ จากค่าที่วัดได้โดยตรงเหล่านี้ มีแบบจำลองที่ช่วยให้สามารถประมาณค่าความเหนียวในการแตกหัก ค่าเลขชี้กำลังการแข็งตัวของวัสดุ ความเค้นตกค้าง และ ความแข็งแรงคราด ( yield strength ) ได้ การทดลองเหล่านี้ดำเนินการโดยใช้เครื่องมือทดสอบการกดแบบนาโนโดยเฉพาะ หรือ กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม ( Atomic Force Microscope : AFM) โดยทั่วไป การทดสอบการกดแบบนาโนจะดำเนินการกับวัสดุ 2 มิติในรูปของแถบเส้นตรงที่ยึดไว้ทั้งสองด้านและถูกกดด้วยลิ่ม หรือกับวัสดุ 2 มิติในรูปของแผ่นวงกลมที่ยึดไว้รอบเส้นรอบวงและถูกกดด้วยปลายโค้งตรงกลาง รูปทรงแถบนั้นเตรียมได้ยาก แต่ช่วยให้วิเคราะห์ได้ง่ายกว่าเนื่องจากสนามความเค้นที่เกิดขึ้นเป็นเส้นตรง รูปทรงคล้ายกลองวงกลมนั้นใช้กันทั่วไปมากกว่าและสามารถเตรียมได้ง่ายโดยการลอกตัวอย่างลงบนพื้นผิวที่มีลวดลาย ความเค้นที่กระทำต่อฟิล์มในกระบวนการยึดเรียกว่าความเค้นตกค้าง ในกรณีของวัสดุ 2 มิติที่มีชั้นบางมาก โดยทั่วไปแล้วจะไม่พิจารณาความเค้นดัดในการวัดการกด แต่ความเค้นดัดจะมีความสำคัญในตัวอย่างหลายชั้น ค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นและความเค้นตกค้างสามารถสกัดได้โดยการหาค่าส่วนเชิงเส้นและส่วนลูกบาศก์ของเส้นโค้งแรง-การเคลื่อนที่จากการทดลอง ความเค้นแตกหักของแผ่น 2 มิติจะถูกสกัดจากความเค้นที่ใช้เมื่อตัวอย่างแตกหัก พบว่าขนาดของปลาย AFM มีผลเพียงเล็กน้อยต่อการวัดคุณสมบัติความยืดหยุ่น แต่พบว่าแรงแตกหักมีความขึ้นอยู่กับขนาดของปลายอย่างมากเนื่องจากความเข้มข้นของความเค้นที่ปลายสุดของปลายโดยใช้เทคนิคเหล่านี้ พบว่าโมดูลัสความยืดหยุ่นและความแข็งแรงครากของกราฟีนมีค่า 342 N/m และ 55 N/m ตามลำดับ

การวัด อัตราส่วนปัวซองในวัสดุ 2 มิติโดยทั่วไปทำได้ง่าย เพื่อให้ได้ค่า แผ่น 2 มิติจะถูกวางภายใต้แรงกดและวัดการตอบสนองการเคลื่อนที่ หรือทำการคำนวณ MD โครงสร้างเฉพาะที่พบในวัสดุ 2 มิติพบว่าส่งผลให้เกิด พฤติกรรม ออเซติกในฟอสฟอรีนและกราฟีนและอัตราส่วนปัวซองเป็นศูนย์ในโบโรฟีนที่มีโครงสร้างตาข่ายสามเหลี่ยม  

การวัดโม ดูลัสเฉือนของกราฟีนได้มาจากการวัดการเปลี่ยนแปลงความถี่เรโซแนนซ์ในการทดลองออสซิลเลเตอร์แบบใบพัดคู่ รวมถึงการจำลอง MD

ความทนทานต่อการแตกหักของวัสดุ 2 มิติในโหมด I (K _IC ) ได้รับการวัดโดยตรงโดยการยืดชั้นที่มีรอยแตกก่อนหน้าและตรวจสอบการแพร่กระจายของรอยแตกแบบเรียล ไทม์ การจำลอง MD เช่นเดียวกับการจำลองกลศาสตร์โมเลกุลยังถูกนำมาใช้ในการคำนวณความทนทานต่อการแตกหักในโหมด I ในวัสดุที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน เช่น ฟอสฟอรีน พบว่าการแพร่กระจายของรอยแตกเกิดขึ้นตามทิศทางที่แน่นอนเป็นพิเศษพบว่าวัสดุ 2 มิติส่วนใหญ่เกิดการแตกหักแบบเปราะ

นักวิจัยส่วนใหญ่คาดหวังว่า วัสดุ 2 มิติจะเข้ามาแทนที่สารกึ่งตัวนำแบบดั้งเดิม เพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นใหม่ เนื่องจากคุณสมบัติที่โดดเด่นของวัสดุเหล่านี้

การวิจัยเกี่ยวกับนาโนวัสดุ 2 มิติ ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น โดยการวิจัยส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การอธิบายลักษณะ เฉพาะของวัสดุ และมีรายงานเพียงไม่กี่ฉบับที่มุ่งเน้นไปที่การประยุกต์ใช้นาโนวัสดุ 2 มิติใน ด้านชีวการแพทย์ [ ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของนาโนวัสดุ 2 มิติในช่วงไม่นานมานี้ได้ก่อให้เกิดคำถามที่สำคัญและน่าตื่นเต้นเกี่ยวกับการโต้ตอบกับ ส่วนประกอบ ทางชีวภาพอนุภาคนาโน 2 มิติ เช่น วัสดุ 2 มิติที่ใช้คาร์บอน ดินเหนียวซิลิเกต โลหะทรานซิชันไดแคลโคเจนิก (TMDs) และโลหะทรานซิชันออกไซด์ (TMOs) ให้การทำงานทางกายภาพ เคมี และชีวภาพที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากรูปร่างที่สม่ำเสมอ อัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรสูง และประจุบนพื้นผิว

วัสดุนาโนสองมิติ (2D)เป็นวัสดุนาโน ที่บางมาก มีระดับความไม่สมมาตรและฟังก์ชันทางเคมี สูง วัสดุนาโน 2D มีความหลากหลายสูงในแง่ของ คุณสมบัติ ทางกล ทางเคมีและทางแสงรวมถึงขนาด รูปร่าง ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ และความสามารถในการย่อยสลายคุณสมบัติที่หลากหลายเหล่านี้ทำให้วัสดุนาโน 2D เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการส่งยาการถ่ายภาพวิศวกรรมเนื้อเยื่อไบโอเซนเซอร์และเซนเซอร์ก๊าซเป็นต้นอย่างไรก็ตาม โครงสร้างนาโนมิติต่ำของพวกมันทำให้มีลักษณะร่วมกันบางประการ ตัวอย่างเช่น วัสดุนาโน 2D เป็นวัสดุที่บางที่สุดเท่าที่รู้จัก ซึ่งหมายความว่าพวกมันยังมีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงสุดในบรรดาวัสดุที่รู้จักทั้งหมด ลักษณะนี้ทำให้วัสดุเหล่านี้มีค่าอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิวในระดับสูงในระดับเล็ก ด้วยเหตุนี้ จึงมีการสำรวจวัสดุนาโน 2 มิติเพื่อใช้ใน ระบบ นำส่งยาโดยสามารถดูดซับโมเลกุลยาจำนวนมากและช่วยให้ควบคุมจลนศาสตร์การปลดปล่อยได้ดีกว่านอกจากนี้ อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่ยอดเยี่ยมและค่าโมดูลัสที่สูงโดยทั่วไปทำให้วัสดุเหล่านี้มีประโยชน์ในการปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของนาโนคอมโพสิต ชีวการแพทย์ และไฮโดรเจลนาโนคอมโพสิตแม้ในความเข้มข้นต่ำ ความบางเป็นพิเศษของวัสดุเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาด้านการตรวจจับทางชีวภาพและการจัดลำดับยีนยิ่งไปกว่านั้น ความบางของโมเลกุลเหล่านี้ทำให้สามารถตอบสนองต่อสัญญาณภายนอก เช่น แสง ได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งนำไปสู่ประโยชน์ในการบำบัดด้วยแสงทุกประเภท รวมถึงการใช้งานด้านการถ่ายภาพการบำบัดด้วยความร้อนจากแสง (PTT) และการบำบัดด้วยแสงแบบไดนามิก (PDT)

แม้ว่าการพัฒนาในด้านนาโนวัสดุ 2 มิติจะเป็นไปอย่างรวดเร็ว แต่วัสดุเหล่านี้จะต้องได้รับการประเมินความเข้ากันได้ทางชีวภาพ อย่างรอบคอบ เพื่อให้มีความเกี่ยวข้องกับการใช้งานทางชีวการแพทย์ความใหม่ของวัสดุประเภทนี้หมายความว่าแม้แต่วัสดุ 2 มิติที่ค่อนข้างเป็นที่ยอมรับแล้ว เช่นกราฟีนก็ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ในแง่ของปฏิสัมพันธ์ทางสรีรวิทยากับเนื้อเยื่อ ที่มีชีวิต นอกจากนี้ ความซับซ้อนของขนาดและรูปร่างอนุภาคที่แปรผัน สิ่งเจือปนจากการผลิต และ ปฏิสัมพันธ์กับ โปรตีนและภูมิคุ้มกันส่งผลให้ความรู้เกี่ยวกับความเข้ากันได้ทางชีวภาพของวัสดุเหล่านี้ยังไม่สมบูรณ์

• ชั้นเดียว
• สารกึ่งตัวนำสองมิติ
• ชั้นโมโนเลเยอร์ของโลหะทรานซิชันไดแคลโคเจนิก

• "วัสดุ 2 มิติคืออะไร และทำไมจึงเป็นที่สนใจของนักวิทยาศาสตร์?"ในColumbia News (6 มีนาคม 2024)
• "ยี่สิบปีแห่งวัสดุ 2 มิติ"ในNature Physics (16 มกราคม 2024)

• ซู, หยาง; เฉิงเฉิง; ตู้ สิเชาว์; หยาง เจียนอี้; ยูบิน; หลัว, แจ็ค; หยิน, เหวินเอียน; หลี่ เออร์ปิง; ตง, ซู่หรง; ใช่แล้ว เปเด; ด้วน, เซียงเฟิง (2016) "จุดสัมผัสระหว่างวัสดุสองและสามมิติ: จุดเชื่อมต่อแบบโอห์มมิก ชอตกี และจุดเชื่อมต่อเฮเทอโรจังก์ชั่น p-n" เอซีเอส นาโน . 10 (5): 4895– 4919. Bibcode : 2016ACSNa..10.4895X . ดอย : 10.1021/acsnano.6b01842 . PMID27132492  .​
• Briggs, Natalie; Subramanian, Shruti; Lin, Zhong; Li, Xufan; Zhang, Xiaotian; Zhang, Kehao; Xiao, Kai; Geohegan, David; Wallace, Robert; Chen, Long-Qing ; Terrones, Mauricio; Ebrahimi, Aida; Das, Saptarshi; Redwing, Joan; Hinkle, Christopher; Momeni, Kasra; van Duin, Adri; Crespi, Vin; Kar, Swastik; Robinson, Joshua A. (2019). "แผนงานสำหรับวัสดุ 2 มิติเกรดอิเล็กทรอนิกส์" 2D Materials . 6 (2): 022001. Bibcode : 2019TDM.....6b2001B . doi : 10.1088/2053-1583/aaf836 . OSTI  1503991 . S2CID  188118830 .
• Shahzad, F.; Alhabeb, M.; Hatter, CB; Anasori, B.; Man Hong, S.; Koo, CM; Gogotsi, Y. (2016). "การป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยคาร์ไบด์โลหะทรานซิชัน 2 มิติ (MXenes)" . Science . 353 (6304): 1137– 1140. Bibcode : 2016Sci...353.1137S . doi : 10.1126/science.aag2421 . PMID  27609888 .
• "การใช้งานและการประยุกต์ใช้กราฟีน" . Graphenea . สืบค้นเมื่อ2014-04-13 .
• Cao, Yameng; Robson, Alexander J.; Alharbi, Abdullah; Roberts, Jonathan; Woodhead, Christopher Stephen; Noori, Yasir Jamal; Gavito, Ramon Bernardo; Shahrjerdi, Davood; Roedig, Utz (2017). "การระบุด้วยแสงโดยใช้ความไม่สมบูรณ์ในวัสดุ 2 มิติ" วัสดุ 2 มิติ4 (4) : 045021. arXiv : 1706.07949 . Bibcode : 2017TDM.....4d5021C . doi : 10.1088/2053-1583/aa8b4d . S2CID  35147364 .
• Kolesnichenko, Pavel; Zhang, Qianhui; Zheng, Changxi; Fuhrer, Michael; Davis, Jeffrey (2021). "การวิเคราะห์สเปกตรัมเอ็กซิโทนิกแบบหลายมิติของชั้นโมโนเลเยอร์ของทังสเตนไดซัลไฟด์: มุ่งสู่การระบุการรบกวนโครงสร้างและสิ่งแวดล้อมของวัสดุ 2 มิติด้วยคอมพิวเตอร์" . Machine Learning: Science and Technology . 2 (2): 025021. arXiv : 2003.01904 . doi : 10.1088/2632-2153/abd87c .