Nyt Flatland materiale:Fysikere opnår kvasi-2D guld

Forskere fra MIPT Center for Photonics and 2-D Materials har syntetiseret en kvasi-2-D guldfilm, afsløre, hvordan materialer, der normalt ikke er klassificeret som todimensionelle, kan danne atomisk tynde lag. Udgivet i Avancerede materialegrænseflader , undersøgelsen viser, at ved at bruge monolag molybdændisulfid som et adhæsionslag, kvasi-2-D guld kan deponeres på en vilkårlig overflade. Holdet siger, at de resulterende ultratynde guldfilm, som kun er flere nanometer tykke, leder elektricitet meget godt og er nyttige til fleksibel og gennemsigtig elektronik. Fundet kan bidrage til en ny klasse af optiske metamaterialer med det unikke potentiale til at kontrollere lys.

Det første 2D-materiale opdaget, grafen er en et-atom-tyk plade af kulstofatomer i en honeycomb-formation. Dets syntese og studiet af dets spændende egenskaber har givet anledning til et helt nyt område inden for videnskab og teknologi. De banebrydende eksperimenter med grafen gav MIPT-kandidaterne Andre Geim og Kostya Novoselov Nobelprisen i fysik i 2010.

Siden da, mere end 100 grafenfætre er blevet opdaget. Deres spændende egenskaber havde anvendelse i biomedicin, elektronik og rumfartsindustrien. Disse materialer tilhører klassen af ​​lagdelte krystaller, hvis lag er svagt bundet til hinanden, men har stærk intern integritet. For eksempel, grafitten i en blyant er i det væsentlige mange stablede lag af grafen bundet så svagt, at Geim og Novoselov berømt brugte klistret tape til at pille dem af.

Imidlertid, mange materialer, som guld, sølv, og kobber, ikke har en lagdelt struktur. Stadig, de kunne teoretisk danne 2-D lag, hvilket ville være uundværligt for fleksibel og gennemsigtig elektronik. Blandt de mulige anvendelser er endda ultratynde elektroder, der ville muliggøre neurale grænseflader med potentiale til at løse medicinske problemer, og til sidst integrere et levende væsens nervesystem med elektroniske enheder.

Indtil for nylig, den eneste teknologi til afsætning af metalfilm på vilkårlige overflader gav lag, der ikke var tynde nok. Det involverer termisk fordampning af en 3-D metalprøve i højvakuum. De fordampede metalpartikler klæber derefter til et siliciumbaseret substrat, danner øer i nanostørrelse, som gradvist vokser, til sidst lukke hullerne mellem dem. Denne proces giver kun relativt homogene film, når de er 20 nanometer tykke. Ingeniører kræver gennemsigtige film, hvilket betyder, at de skal være mere end to gange tyndere. At stoppe deponeringen tidligere er heller ikke en mulighed, fordi filmene stadig har for mange huller og inhomogeniteter (se billedet nederst til højre i figur 2), forringe deres elektriske ledningsevne. Tilsvarende et metalnet er en dårligere leder sammenlignet med en metalplade.

Forskerne fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi begyndte med at antage, at 2-D-metaller kunne aflejres på andre 2-D-materialer. Graphene var den første kandidat, men guld udviste ringe befugtning til det. Som resultat, guld blev deponeret i form af søjler. Denne lodrette vækstmåde gjorde det problematisk at lukke hullerne i filmen. Selvom guldaflejring på grafen er interessant til andre anvendelser, såsom overfladeforstærket Raman-spektroskopi, film under 10 nanometer opnået på denne måde leder ikke elektricitet.

Holdet fortsatte med at undersøge metalfilmvækst på 2-D overgangsmetal dichalcogenider. Specifikt, molybdændisulfid blev brugt, fordi svovlforbindelser er kendt for at være blandt de meget få, der danner stabile bindinger med guld.

"Den idé har vi haft et godt stykke tid. mange af teknologierne til at arbejde med 2D-materialer er stadig under udvikling. Ikke alle af dem er bredt tilgængelige, " forklarede Yury Stebunov, en af ​​avisens hovedforfattere. "Denne undersøgelse krævede betydelige ressourcer, både menneskeligt og materielt. Det er ved at sikre et tilskud under præsidentprogrammet, at vi kunne føre vores ideer ud i livet."

MIPT-forskerne brugte termisk fordampning i højvakuum til at afsætte tynde guldfilm på et siliciumsubstrat dækket med siliciumdioxid og et monolag af molybdændisulfid (figur 1). Holdet brugte elektron- og atomkraftmikroskopi til at sammenligne strukturen af ​​disse guldfilm i forskellige tykkelser med analoge film dyrket på ren siliciumdioxid - dvs. uden molybdændisulfid-monolaget (figur 2). Den tilføjede 2-D materialegrænseflade resulterede i kontinuerlige guldfilm med overlegen elektrisk ledningsevne ved en mindre tykkelse på kun 3-4 nanometer.

Da fotoniske og optoelektroniske enheder er en nøgleanvendelse af sådanne kvasi-2-D metalfilm, fysikerne studerede de optiske egenskaber af deres prøver via spektral ellipsometri, rapporterer for første gang de optiske konstanter for ultratynde guldfilm.

Avisens seniorforfatter, professor Valentyn Volkov fra Syddansk Universitet, som også leder Laboratory of Nanooptics and Plasmonics ved MIPT, kommenterede:"Enhver forsker kan bruge vores data til at modellere fotoniske eller optoelektroniske enheder eller endda de kunstige materialer kendt som metamaterialer. Til sidst, den teknologi, vi foreslog, kan hjælpe med at designe sådanne materialer og enheder."

Et enkelt lag af molybdændisulfid muliggjorde rekordtynde og glatte metalfilm. Holdet understreger den universelle anvendelighed af deres teknik:Monolaget kan aflejres på en vilkårlig overflade med alle egenskaber til at producere en ultratynd, ultraglat metalfilmbelægning. Sådanne kvasi-2-D metallag kan integreres i flerlags "sandwich" strukturer, der inkorporerer forskellige 2-D materialer. Kendt som van der Waals heterostrukturer, de kan indeholde forskellige "ingredienser, "inklusive halvledere, dielektrikum, halvmetaller, og – fra nu af – metaller, også.

En medforfatter til undersøgelsen, Aleksey Arsenin, der leder Center for Fotonik og 2D-materialer ved MIPT, tilføjede:"Vi forventer, at dette blot er begyndelsen på kvasi-2-D metalvidenskab. For et stykke tid siden, disse materialer var utilgængelige selv for videnskabsmænd. Med vores teknologi, vi kan tale om de muligheder, de har for fleksibel og gennemsigtig elektronik. Forhåbentlig, vi vil snart se den i produktion."