Tvådimensionella material är lite av ett tankeväckande koncept. Människor lever i en tredimensionell värld, trots allt, där allt som observeras i vår naturliga värld har höjd, bredd, och djup. Och ändå när grafen - ett kolmaterial som är unikt i sin verkligt platta, en-atom-djup dimension – producerades först 2004, det sinnesböjande konceptet blev verklighet och en outforskad gräns inom materialvetenskap.

Ames Laboratorys forskare Pat Thiel och Michael Tringides är upptäcktsresande på den gränsen, upptäcka de unika egenskaperna hos tvådimensionella (2D) material och metaller odlade på grafen, grafit, och andra kolbelagda ytor.

"Vårt arbete är något av ett mirakel, om forskare kan prata om mirakel, sa Tringides, som också är professor i fysik vid Iowa State University. "För bara några decennier sedan, ingen skulle ha trott att vi kunde se enskilda atomer, men våra förmågor tillåter oss nu inte bara att se dem, men manipulera dem, som ett barnbygge med legoklossar. Vi kan skapa dessa material från botten och upp, sådana som aldrig skulle kunna hända i naturen."

De är skapade i en kontrollerad laboratoriemiljö, i en miljö med ultrahögt vakuum, och undersökt med hjälp av scanning tunnelmikroskopi. Efter uppvärmning av substratet till hög temperatur avlägsnas alla föroreningar och defekter. Substratet kyls och atomer av intresse deponeras en efter en från specialdesignade källor. Genom att justera temperaturen och deponeringshastigheten, forskarna söker efter det Guldlocksliknande tillståndet:atomer rör sig inte för snabbt och inte för långsamt, så ett verkligt 2D-material bildas.

Medan deras forskargrupper skapar en mängd olika ytmaterial i sitt arbete, tillverkningsmetoderna har alla en sak gemensamt:att försöka begränsa sammansättningen av atomerna till 2D-planet. Det är svårt, eftersom det strider mot vad atomer naturligt vill göra under de flesta förhållanden, att montera i tre dimensioner.

"Atomer är kaotiska av naturen; vi bekämpar denna slumpmässighet i allt vi gör, sade Tringides. I vårt arbete, atomer är exakt arrangerade på en mycket reaktiv yta i ett vakuum. Varje aspekt av miljön är kontrollerad. Vårt arbete är att tillverka mycket små, väldigt ren, och väldigt perfekt. Att arbeta med material i nanoskala kräver det."

Att lära sig hur dessa material beter sig är av största vikt. Eftersom 2D-material är alla ytor utan bulk, en mängd unika egenskaper i nanoskala – kemiska, magnetisk, elektronisk, optisk, och termiska — kan hänföras till dem.

"Det finns en regelbok för egenskaperna för bulk, eller tredimensionella material, och den innehåller stora bitar som är allmänt förstådda och accepterade, sa Thiel, en fysikalisk kemist, materialvetare, och Distinguished Professor vid Iowa State University. "Men regelboken för 2D-material är till stor del oskriven. Det finns många saker vi inte vet. Vi får många överraskningar, och då måste vi förklara dem."

Att skriva regelboken för beteendet hos dessa material är bara det första steget i ett större mål; skapa avstämbara material som potentiellt kan vara användbara i en mängd tekniska tillämpningar, inklusive ultrasnabb mikroelektronik, katalys, och spintronik.

Det är anledningen till att Thiels och Tringides forskning har fokuserat på att odla metaller på 2D-substrat under de senaste fyra åren, gör det till en stor styrka i Ames Laboratorys materialforskning.

Grafen har fått mycket entusiastisk uppmärksamhet i både vetenskaplig forskning och teknikindustrin eftersom elektroner färdas väldigt snabbt längs dess yta, förklarade Tringides. Men för att skapa funktionella enheter, det kräver mönster av metallkontakter i nanoskala på dess yta, utformad specifikt för en önskad funktion.

"Vilket material vi än försöker skapa, enhetlighet på ytan är nyckeln till en funktionell enhet, och det är där vår "perfekta" forskning kommer in. Den perfektionen gör oss långsamma, men det är en avvägning, ", sa Tringides. "Om vi ​​kan få en grundlig förståelse för hur dessa kontakter kan produceras under idealiska förhållanden i en kontrollerad miljö, då kan dessa metoder så småningom optimeras för kommersiell produktion och användning."

Thiel och Tringides senaste framgång är interkaleringen av dysprosium på grafitskikt. Interkalering är införandet av ett material i föreningar med skiktade strukturer. Det är en riktig utmaning med grafit, eftersom dess rent 2D-yta resulterar i "slicka" lager utan något bra sätt att bilda bindningar mellan dem.

"Det är som en bunt filtar på en säng, sade Thiel. Filtarna i sig är strukturellt sunda, men två filtar staplade ovanpå varandra glider runt, glida av sängen, och kan lätt skalas av i lager." Men teamet har nyligen upptäckt de förhållanden under vilka de kan skapa olika typer av interkalerade metall- och grafitsystem, binda samman dessa glidande filtar av material tvådimensionellt. Det är ett lovande nytt sätt att bilda en tunn beläggning av en metall som skyddas av en kolhud, och kan leda vägen till material med unika magnetiska eller katalytiska egenskaper.

Med ett så snävt fokuserat och mycket kontrollerat experimentellt fokus inom grundläggande vetenskap, det kan vara frestande att anta att deras forskning, som deras experiment, sker i ett vakuum. Men Thiel tillskriver framgången för ytvetenskap vid Ames Laboratory till det nära samarbetet mellan olika forskargrupper. "Ames Laboratory är en bördig miljö för ytvetenskapliga experiment eftersom vi har möjlighet att samarbeta direkt med många forskare inom olika expertområden som tar itu med samma problem från en annan synvinkel, sa Thiel, inklusive specialister på material för fotoniska bandgap, optisk fysik, teori, och materialtillverkning. "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."