I ett samarbete mellan det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory och Northeastern University, forskare har utvecklat en modell för att förutsäga formen på metallnanokristaller eller "öar" som är inklämda mellan eller under tvådimensionella (2-D) material som grafen. Framstegen flyttar 2D-kvantmaterial ett steg närmare tillämpningar inom elektronik.

Ames Laboratory forskare är experter på 2D-material, och nyligen upptäckte en första i sitt slag koppar- och grafitkombination, produceras genom att avsätta koppar på jonbombard grafit vid hög temperatur och i en miljö med ultrahögt vakuum. Detta gav en distribution av kopparöar, inbäddad under en ultratunn "filt" bestående av några lager grafen.

"Eftersom dessa metallöar potentiellt kan fungera som elektriska kontakter eller kylflänsar i elektroniska applikationer, deras form och hur de når den formen är viktiga delar av information för att kontrollera designen och syntesen av dessa material, sa Pat Thiel, en Ames Laboratory forskare och framstående professor i kemi och materialvetenskap och teknik vid Iowa State University.

Forskare i Ames Laboratory använde skanningstunnelmikroskopi för att mödosamt mäta formerna på mer än hundra nanometerska kopparöar. Detta gav den experimentella grunden för en teoretisk modell utvecklad gemensamt av forskare vid Northeastern Universitys institution för maskin- och industriteknik och vid Ames Laboratory. Modellen tjänade till att förklara data extremt bra. Det enda undantaget, beträffande kopparöar mindre än 10 nm höga, kommer att ligga till grund för vidare forskning.

"Vi älskar att se vår fysik tillämpas, och det här var ett vackert sätt att applicera det, " sa Scott E. Julien, Ph.D. kandidat, vid nordöstra. "Vi kunde modellera det elastiska svaret av grafenet när det draperar över kopparöarna, och använd den för att förutsäga formerna på öarna."

Arbetet visade att det översta lagret av grafen motstår trycket uppåt som den växande metallön utövar. I själva verket, grafenskiktet klämmer sig nedåt och plattar ut kopparöarna. Att redogöra för dessa effekter såväl som andra nyckelenergier leder till den oförutsedda förutsägelsen om en universell, eller storleksoberoende, formen på öarna, åtminstone för tillräckligt stora öar av en given metall.

"Denna princip bör fungera med andra metaller och andra skiktade material också, sa forskningsassistent, Ann Lii-Rosales. "Experimentellt vill vi se om vi kan använda samma recept för att syntetisera metaller under andra typer av skiktade material med förutsägbara resultat."

Forskningen diskuteras vidare i artikeln "Squeezed Nanocrystals:Equilibrium Configuration of Metal Clusters Embedded Beneath the Surface of a Layered Material, " publicerad i Nanoskala .

Forskningen var ett samarbete mellan Ames Laboratory och Northeastern University.