Et strejf af guld og sølv

Metaller er normalt kendetegnet ved god elektrisk ledningsevne. Det gælder især guld og sølv. Imidlertid, forskere fra Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart, sammen med partnere i Pisa og Lund, har nu opdaget, at nogle ædelmetaller mister denne egenskab, hvis de er tynde nok. Det yderste af et lag, der kun er et atom tykt, opfører sig således som en halvleder. Dette viser endnu en gang, at elektroner opfører sig anderledes i det todimensionelle lag af et materiale end i tredimensionelle strukturer. De nye egenskaber kan potentielt føre til ansøgninger, for eksempel inden for mikroelektronik og sensorteknologi.

Man kunne tro, at bladguld, som kun er 0,1 µm tyk, er faktisk ret tynd. Langt fra. Det kan faktisk være flere hundrede gange tyndere. For eksempel, forskergruppen til Ulrich Starke og hans tidligere doktorand Stiven Forti har med succes skabt et guldlag, der kun er et enkelt atom tykt. Todimensionelt guld, så at sige.

Starke er leder af Interface Analysis Facility ved Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart. Hans team har længe arbejdet på grænsen mellem tredimensionelle (voluminøse) og todimensionelle (plane) materialer. Faststofforskere er interesserede i denne overgang, fordi den er forbundet med ændringer i visse materialeegenskaber. Dette er tidligere blevet påvist i todimensionelt kulstof, eller grafen. Blandt andet, dens elektroner er betydeligt mere mobile og tillader den elektriske ledningsevne at stige til 30 gange den relaterede tredimensionelle grafit.

Guldatomer skubbes mellem grafen og siliciumcarbid

Imidlertid, for mange metaller, at producere lag af materiale, der kun er et atom tykt, er ikke en let opgave. "Med klassiske deponeringsmetoder, guld atomer, for eksempel, ville straks agglomerere til tredimensionelle klynger", forklarer Starke. Hans team arbejder derfor med en anden metode – interkalation – som de lavede banebrydende arbejde på for omkring 10 år siden. Interkalation betyder bogstaveligt talt at glide noget ind imellem. Og det er præcis sådan, det fungerer. Forskerne starter med en siliciumcarbidwafer. Ved hjælp af en proces, de selv udviklede, de omdanner først dens overflade til et enkelt-atomart lag af grafen. "Hvis vi fordamper sublimeret guld på dette siliciumcarbid-grafen arrangement i et højvakuum, guldatomerne migrerer mellem karbid og grafen", forklarer Forti. Den tidligere Max Planck ph.d.-kandidat forsker nu ved Center for Nanotechnology Innovation i Pisa. Det er endnu ikke helt forstået, hvordan de tykke guldatomer kommer ind i det mellemliggende rum. Men så meget er klart:højere temperaturer favoriserer processen.

Holdet havde også anvendt interkalkationsteknikken til andre elementer, inklusive germanium, kobber, og gadolinium. Endnu, ifølge Forti, hovedfokus var indflydelsen på grafens egenskaber. I tilfælde af guld, imidlertid, det blev for første gang fundet, at de indskudte atomer arrangerede sig i en regulær, periodisk tilbagevendende todimensionel struktur - krystallinsk - langs siliciumcarbidoverfladen. "Hvis interkalationen udføres ved 600°C, grafenlaget forhindrer guldatomerne i at agglomerere og danne dråber", siger Forti om kulstoflagets funktion i sandwichstrukturen.

Et guldlag, der kun består af to atomlag, leder som et metal

Den vellykkede forberedelse af guldlaget med et atoms tykkelse var kun det første skridt. Efterfølgende de ekstremt tynde materialer og deres muligvis specielle egenskaber blev interessante for forskerne. De kunne faktisk vise, at det ekstremt tynde lag guld udvikler sine egne elektroniske – og halvleder-egenskaber. Til sammenligning:den elektriske ledningsevne af voluminøst (dvs. tredimensionelt guld) er næsten lige så god som kobbers. Fordi teoretiske overvejelser forudsiger en metallisk karakter for rent 2-D guld, halvlederfundet var noget overraskende. "Interaktioner mellem guldatomerne og enten siliciumcarbidet eller grafenkulstoffet spiller naturligvis stadig en rolle her. Dette påvirker elektronernes energiniveauer", siger Starke.

Halvledere er væsentlige materialer inden for mikroelektronik og andre områder. For eksempel, elektroniske koblingselementer som dioder eller transistorer er baseret på det. Starkes team kan forestille sig nogle typiske halvlederapplikationer til det nye 2-D-materiale. Et andet lag af guldatomer giver igen en metallisk karakter - og påvirker dermed den elektriske ledningsevne. "Ved at variere mængden af ​​sublimeret guld, vi kan nøje kontrollere, om der dannes et eller to lag guld", forklarer Forti.

Det kunne derfor tænkes at anvende komponenter med skiftende enkelt- eller dobbeltatomare guldlag. Den nye fremstillingsmetode skulle så passende kombineres med almindelige litografiske metoder til spånproduktion. For eksempel, dioder, der er væsentligt mindre end konventionelle, kunne fremstilles. Ifølge Starke, de forskellige elektroniske tilstande af enkelt- og dobbeltlagsguld kunne også bruges i optiske sensorer.

Elektroniske effekter også i grafenlaget

En anden anvendelsesidé stammer fra effekter forårsaget af det interkalerede guld i det tilstødende grafenlag, som tilsyneladende afhænger af guldets tykkelse. "Et guldlag med et atom tykt forårsager en n-doping i grafen. Det betyder, at vi opnår elektroner som ladningsbærere", siger Forti. På steder, hvor guldet er to atomlag tykt, præcis det modsatte - p-doping - sker. der, manglende elektroner eller positivt ladede såkaldte "huller" fungerer som ladningsbærere. Guldet øger også interaktionen mellem plasmoner (dvs. fluktuationer i tætheden af ​​ladningsbærere) med elektromagnetisk stråling. "En struktureret, alternerende arrangement af n- og p-doping i grafenen kunne således bruges. For eksempel, som et meget følsomt, men alligevel højopløsningsdetektorsystem for terahertz-stråling som dem, der bruges i materialeprøvning, til sikkerhedstjek i lufthavne, eller til trådløs datatransmission", siger Starke.

Starkes team har allerede taget det næste skridt i produktionen af ​​todimensionelle ædelmetallag. Også i et interkalationseksperiment med sølv, et strengt krystallinsk todimensionelt sølvlag dannet mellem siliciumcarbid og grafen. Og hvad mere er:selv dette metal, som normalt er en endnu bedre elektrisk leder end guld, bliver en halvleder, når den reduceres til to dimensioner. De første resultater tyder på, at den energi, der kræves for at gøre sølvlaget elektrisk ledende, sandsynligvis er højere end for 2-D guld. "Halvlederegenskaberne af en komponent fremstillet af dette materiale kan derfor være termisk mere stabile end dem for guld", siger Starke om mulige praktiske konsekvenser.