Forskare från MIPT Center for Photonics and 2-D Materials har syntetiserat en kvasi-2-D guldfilm, avslöjar hur material som vanligtvis inte klassificeras som tvådimensionella kan bilda atomärt tunna lager. Publicerad i Avancerade materialgränssnitt , studien visar att genom att använda monolager molybdendisulfid som ett vidhäftningsskikt, kvasi-2-D guld kan deponeras på en godtycklig yta. Teamet säger att de resulterande ultratunna guldfilmerna, som bara är flera nanometer tjocka, leder elektricitet mycket bra och är användbara för flexibel och transparent elektronik. Fyndet kan bidra till en ny klass av optiska metamaterial med unik potential att kontrollera ljus.

Det första 2D-materialet som upptäcktes, grafen är ett enatoms tjockt ark av kolatomer i en bikakeformation. Dess syntes och studiet av dess spännande egenskaper har gett upphov till ett helt nytt område inom vetenskap och teknik. De banbrytande experimenten med grafen gav MIPT-utexaminerade Andre Geim och Kostya Novoselov 2010 Nobelpriset i fysik.

Sedan dess, mer än 100 grafenkusiner har upptäckts. Deras spännande egenskaper hade tillämpningar inom biomedicin, elektronik och flygindustrin. Dessa material tillhör klassen av skiktade kristaller vars lager är svagt bundna till varandra men har stark inre integritet. Till exempel, grafiten i en penna är i princip många staplade lager av grafen bundna så svagt att Geim och Novoselov som berömt använde tejp för att dra av dem.

Dock, många material, som guld, silver, och koppar, inte har en skiktad struktur. Fortfarande, de skulle teoretiskt kunna bilda 2D-lager, vilket skulle vara oumbärligt för flexibel och transparent elektronik. Bland de möjliga tillämpningarna finns till och med ultratunna elektroder som skulle möjliggöra neurala gränssnitt med potential att lösa medicinska problem, och så småningom integrera nervsystemet hos en levande varelse med elektroniska enheter.

Tills nyligen, den enda tekniken för att avsätta metallfilmer på godtyckliga ytor gav lager som inte var tillräckligt tunna. Det innebär termisk avdunstning av ett 3D-metallprov i högvakuum. De förångade metallpartiklarna fäster sedan på ett kiselbaserat substrat, bildar nanostora öar, som gradvis växer, slutligen täppa till luckorna mellan dem. Denna process ger relativt homogena filmer först när de är 20 nanometer tjocka. Ingenjörer kräver genomskinliga filmer, vilket innebär att de måste vara mer än två gånger tunnare. Att stoppa deponeringen tidigare är inte heller ett alternativ, eftersom filmerna fortfarande har för många luckor och inhomogeniteter (se den nedre högra bilden i figur 2), försämrar deras elektriska ledningsförmåga. Liknande, ett metallnät är en sämre ledare jämfört med en plåt.

Forskarna från Moskvainstitutet för fysik och teknik började med att anta att 2-D-metaller kunde avsättas på andra 2-D-material. Grafen var den första kandidaten, men guld uppvisade dålig vätning till det. Som ett resultat, guld deponerades i form av pelare. Detta vertikala tillväxtsätt gjorde det problematiskt att täppa till luckorna i filmen. Även om gulddeposition på grafen är intressant för andra tillämpningar, såsom ytförstärkt Raman-spektroskopi, filmerna under 10 nanometer som erhålls på detta sätt leder inte elektricitet.

Teamet fortsatte med att undersöka metallfilmtillväxt på 2-D övergångsmetalldikalkogenider. Specifikt, molybdendisulfid användes, eftersom svavelföreningar är kända för att vara bland de mycket få som bildar stabila bindningar med guld.

"Vi har haft den idén ganska länge. Men, många av teknikerna för att arbeta med 2D-material är fortfarande under utveckling. Inte alla av dem är allmänt tillgängliga, " förklarade Yury Stebunov, en av tidningens huvudförfattare. "Denna studie krävde betydande resurser, både mänskligt och materiellt. Det är genom att säkra ett anslag under presidentprogrammet som vi kan omsätta våra idéer i praktiken."

MIPT-forskarna använde termisk avdunstning i högvakuum för att avsätta tunna guldfilmer på ett kiselsubstrat täckt med kiseldioxid och ett monolager av molybdendisulfid (figur 1). Teamet använde elektron- och atomkraftsmikroskopi för att jämföra strukturen av dessa guldfilmer i olika tjocklekar med analoga filmer odlade på ren kiseldioxid - det vill säga, utan molybdendisulfidmonoskiktet (figur 2). Det tillagda 2D-materialgränssnittet resulterade i kontinuerliga guldfilmer med överlägsen elektrisk ledningsförmåga vid en mindre tjocklek på bara 3-4 nanometer.

Eftersom fotoniska och optoelektroniska enheter är en nyckelapplikation för sådana kvasi-2-D metallfilmer, fysikerna studerade de optiska egenskaperna hos sina prover via spektral ellipsometri, rapporterar för första gången de optiska konstanterna för ultratunna guldfilmer.

Tidningens seniorförfattare, professor Valentyn Volkov vid Syddansk Universitet, som också leder Laboratory of Nanooptics and Plasmonics vid MIPT, kommenterade:"Alla forskare kan använda vår data för att modellera fotoniska eller optoelektroniska enheter eller till och med konstgjorda material som kallas metamaterial. Så småningom, tekniken vi föreslog kan hjälpa till att designa sådana material och anordningar."

Ett enda tillsatt lager av molybdendisulfid möjliggjorde rekordtunna och släta metallfilmer. Teamet betonar den universella tillämpbarheten av deras teknik:Monoskiktet kan deponeras på en godtycklig yta med alla egenskaper för att producera en ultratunn, ultraslät metallfilmbeläggning. Sådana kvasi-2-D metallskikt kan integreras i flerskiktiga "sandwich"-strukturer som innefattar olika 2-D-material. Känd som van der Waals heterostrukturer, de kan innehålla olika "ingredienser, "inklusive halvledare, dielektrikum, halvmetaller, och – från och med nu – metaller, för.

En medförfattare till studien, Aleksey Arsenin, som leder Center for Photonics and 2-D Materials vid MIPT, tillade:"Vi förväntar oss att detta bara är början på kvasi-2D metallvetenskap. För ett tag sedan, dessa material var otillgängliga även för forskare. Med vår teknik, vi kan prata om möjligheterna för flexibel och transparent elektronik. Förhoppningsvis, vi kommer snart att se den i produktion."