Todimensionelle metaller åbner veje til ny videnskab

En atomisk tynd materialeplatform udviklet af Penn State-forskere i samarbejde med Lawrence Berkeley National Lab og Oak Ridge National Lab vil åbne en bred vifte af nye applikationer inden for biomolekylær sansning, kvante fænomener, katalyse og ikke-lineær optik.

"Vi har udnyttet vores forståelse af en særlig type grafen, døbt epitaksial grafen, at stabilisere unikke former for atomisk tynde metaller, " sagde Natalie Briggs, en ph.d.-kandidat og medhovedforfatter på et papir i tidsskriftet Naturmaterialer . "Interessant nok, disse atomisk tynde metaller stabiliseres i strukturer, der er helt forskellige fra deres bulkversioner, og har dermed meget interessante egenskaber sammenlignet med, hvad der forventes i bulkmetaller."

Traditionelt, når metaller udsættes for luft, begynder de hurtigt at oxidere - rust. På så kort som et sekund, metaloverflader kan danne et rustlag, der ville ødelægge de metalliske egenskaber. I tilfælde af et 2-D metal, dette ville være hele laget. Hvis du skulle kombinere et metal med andre 2-D materialer via traditionelle synteseprocesser, de kemiske reaktioner under syntese ville ødelægge egenskaberne af både metal og lagdelt materiale. For at undgå disse reaktioner, holdet udnyttede en metode, der automatisk dækker 2-D-metallet med et enkelt lag grafen, mens de skabte 2-D-metallet.

Forskerne starter med siliciumcarbid, som de opvarmer til høj temperatur. Silicium forlader overfladen, og det resterende kulstof rekonstrueres til epitaksial grafen. Vigtigt, grænsefladen grafen/siliciumcarbid er kun delvist stabil og passiveres let af næsten ethvert element, hvis elementet har adgang til denne grænseflade.

Holdet giver denne adgang ved at stikke huller i grafenet med et oxygenplasma, og så fordamper de rent metalpulver på overfladen ved høje temperaturer. Metalatomerne migrerer gennem hullerne i grafenet til grænsefladen grafen/siliciumcarbid, skabe en sandwichstruktur af siliciumcarbid, metal og grafen. Processen til at skabe 2D-metallerne kaldes indeslutnings-hetereroepitaxi, eller CHet.

"Vi kalder det CHet på grund af metallets indelukkede natur, og det faktum, at det er epitaksialt – atomerne er alle på linje – til siliciumcarbidet, et vigtigt aspekt af de unikke egenskaber, vi ser i disse systemer, " bemærkede Joshua Robinson, seniorforfatter og lektor i materialevidenskab og teknik, Penn State.

"I denne avis, fokus er på de grundlæggende egenskaber ved metallerne, der vil muliggøre et nyt sæt forskningsemner, " sagde Robinson. "Det viser, at vi er i stand til at udvikle nye 2D-materialesystemer, der er anvendelige i en række varme emner såsom kvante, hvor grafen er et nøgleled, der giver os mulighed for at tænke på at kombinere meget forskellige materialer, som normalt ikke kunne kombineres til at danne grundlag for superledende eller fotoniske qubits."

De næste trin i deres undersøgelser vil involvere at bevise superledningen, sansning, optiske og katalytiske egenskaber af disse lagdelte materialer. Udover at skabe unikke 2D-metaller, holdet fortsætter med at udforske nye 2-D halvledende materialer med CHet, som ville være af interesse for elektronikindustrien i fremtidens elektronik ud over silicium.

Yderligere forfattere fra Penn State inkluderer tidligere doktorand i Robinson-gruppen og medforfatter Brian Bersch, doktorand Yuanxi Wang, og professorer Cui-Zu Chang, Jun Zhu, Adri van Duin og Vincent Crespi.

Det Naturmaterialer papir er "Atomically Thin Half-van der Waals Metals via Confinement Heteroepitaxy."