Unikke egenskaber ved 2-D materialer og metaller dyrket på kulstofbelagte overflader

Todimensionelle materialer er lidt af et tankevækkende koncept. Mennesker lever i en tredimensionel verden, trods alt, hvor alt observeret i vores naturlige verden har højde, bredde, og dybde. Og alligevel når grafen - et kulstofmateriale unikt i dets virkelig flade, en-atom-dyb dimension - blev først produceret i 2004, det tankevækkende koncept blev til virkelighed og en uudforsket grænse inden for materialevidenskab.

Ames Laboratory -forskere Pat Thiel og Michael Tringides er opdagelsesrejsende på den grænse, opdage de unikke egenskaber ved todimensionelle (2-D) materialer og metaller dyrket på grafen, grafit, og andre kulstofbelagte overflader.

"Vores arbejde er noget af et mirakel, hvis videnskabsmænd kan tale om mirakler, sagde Tringides, som også er professor i fysik ved Iowa State University. "For kun et par årtier siden, ingen ville have troet, at vi kunne se individuelle atomer, men vores evner giver os nu ikke kun mulighed for at se dem, men manipuler dem, som en børnebygning med legoklodser. Vi er i stand til at skabe disse materialer fra bunden og op, dem, der aldrig kunne ske i naturen."

De er skabt i et kontrolleret laboratoriemiljø, i et ultrahøjt vakuummiljø, og undersøgt ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi. Efter opvarmning af substratet til høj temperatur fjernes alle urenheder og defekter. Substratet afkøles, og atomer af interesse afsættes én efter én fra specialdesignede kilder. Ved at justere temperaturen og aflejringshastigheden, forskerne søger efter den Guldlok-lignende tilstand:atomer bevæger sig ikke for hurtigt og ikke for langsomt, så der dannes et ægte 2D-materiale.

Mens deres forskningsgrupper skaber en række forskellige overfladematerialer i deres arbejde, fremstillingsmetoderne har alle én ting til fælles:at forsøge at begrænse samlingen af ​​atomerne til 2-D-planet. Det er svært, fordi det er i modstrid med hvad atomer naturligt ønsker at gøre under de fleste forhold, at samle i tre dimensioner.

"Atomer er kaotiske af natur; vi bekæmper denne tilfældighed i alt, hvad vi gør, sagde Tringides. I vores arbejde, atomer er præcist arrangeret på en meget reaktiv overflade i et vakuum. Hvert aspekt af miljøet kontrolleres. Vores arbejde er at fremstille meget små, meget ren, og meget perfekt. At arbejde med materialer i nanoskala kræver det."

At lære, hvordan disse materialer opfører sig, er altafgørende. Fordi 2-D materialer er alle overflader uden bulk, et væld af unikke egenskaber på nanoskala - kemiske, magnetiske, elektronisk, optisk, og termisk - kan tilskrives dem.

"Der er en regelbog for egenskaberne for bulk, eller tredimensionelle materialer, og den indeholder store bidder, der er universelt forstået og accepteret, sagde Thiel, en fysisk kemiker, materialeforsker, og Distinguished Professor ved Iowa State University. "Men regelbogen for 2D-materialer er stort set uskreven. Der er mange ting, vi ikke ved. Vi får mange overraskelser, og så må vi forklare dem."

At skrive regelbogen til disse materialers adfærd er kun det første skridt i et større mål; skabe afstembare materialer, der potentielt kan være nyttige i et væld af tekniske applikationer, inklusive ultrahurtig mikroelektronik, katalyse, og spintronics.

Det er grunden til, at Thiels og Tringides' forskning har fokuseret på dyrkning af metaller på 2-D substrater i løbet af de sidste fire år, gør det til en stor styrke i Ames Laboratories materialeforskning.

Grafen har fået meget entusiastisk opmærksomhed i både videnskabelig forskning og teknologiindustrien, fordi elektroner rejser meget hurtigt langs overfladen, forklarede Tringides. Men for at skabe funktionelle enheder, det nødvendiggør mønstre af metalkontakter i nanoskala på overfladen, designet specielt til en ønsket funktion.

"Uanset hvilket materiale vi forsøger at skabe, ensartethed af overfladen er nøglen til en funktionel enhed, og det er her vores 'perfekte' forskning kommer ind. Denne perfektion gør os langsomme, men det er en afvejning, "sagde Tringides." Hvis vi kan få en grundig forståelse af, hvordan disse kontakter kan frembringes under ideelle forhold i et kontrolleret miljø, så kan disse metoder i sidste ende optimeres til kommerciel produktion og brug."

Thiel og Tringides' seneste succes er interkalationen af ​​dysprosium på grafitlag. Interkalering er introduktionen af ​​et materiale i forbindelser med lagdelte strukturer. Det er en rigtig udfordring med grafit, da dens rene 2-D overflade resulterer i "glatte" lag uden nogen god måde at danne bindinger mellem dem.

"Det er som en stak tæpper på en seng, sagde Thiel. Selve tæpperne er strukturelt sunde, men to tæpper stablet oven på hinanden glider rundt, glide af sengen, og kan nemt pilles af i lag." Men holdet har for nylig opdaget betingelserne, hvorunder de kan skabe forskellige typer interkalerede metal-og-grafitsystemer, binde disse glidende tæpper af materiale sammen todimensionelt. Det er en lovende ny måde at danne en tynd belægning af et metal beskyttet af en kulstofhud, og kunne vise vejen til materialer med unikke magnetiske eller katalytiske egenskaber.

Med et så snævert fokuseret og stærkt kontrolleret eksperimentelt fokus i grundvidenskab, det kunne være fristende at antage, at deres forskning, like their experiments, occurs in a vacuum. But Thiel credits the success of surface science at Ames Laboratory to the close collaboration of varied research groups. "Ames Laboratory is a fertile environment for surface science experiments because we have the opportunity to collaborate directly with many scientists in diverse areas of expertise addressing the same problem from a different viewpoint, " said Thiel, including specialists in photonic band gap materials, optical physics, teori, and materials fabrication. "While that collaboration model has been adopted by other institutions and is the norm now, Ames Lab's intimate size and community culture really started it all, and our achievements in surface science have benefited greatly from it."