En atomtunn materialplattform utvecklad av Penn State -forskare i samarbete med Lawrence Berkeley National Lab och Oak Ridge National Lab kommer att öppna ett brett utbud av nya applikationer inom biomolekylär avkänning, kvantfenomen, katalys och olinjär optik.

"Vi har utnyttjat vår förståelse för en speciell typ av grafen, kallad epitaxial grafen, för att stabilisera unika former av atomtunna metaller, "sa Natalie Briggs, en doktorand och medförfattare på ett papper i tidningen Naturmaterial . "Intressant, dessa atomiskt tunna metaller stabiliseras i strukturer som skiljer sig helt från sina bulkversioner, och har därmed mycket intressanta egenskaper jämfört med vad som förväntas i bulkmetaller. "

Traditionellt, när metaller utsätts för luft börjar de snabbt oxidera - rost. På bara en sekund, metallytor kan bilda ett rostskikt som skulle förstöra metallegenskaperna. När det gäller en 2-D-metall, detta skulle vara hela lagret. Om du skulle kombinera en metall med andra 2-D-material via traditionella syntesprocesser, de kemiska reaktionerna under syntesen skulle förstöra egenskaperna hos både metallen och det skiktade materialet. För att undvika dessa reaktioner, laget utnyttjade en metod som automatiskt täcker 2-D-metallen med ett enda lager grafen samtidigt som man skapar 2-D-metallen.

Forskarna börjar med kiselkarbid som de värmer till en hög temperatur. Kislet lämnar ytan, och det återstående kolet rekonstrueras till epitaxial grafen. Viktigt, grafen/kiselkarbidgränssnittet är endast delvis stabilt och passiveras lätt av nästan alla element, om elementet har tillgång till detta gränssnitt.

Teamet ger denna åtkomst genom att peta hål i grafen med en syreplasma, och sedan avdunstar de rena metallpulver på ytan vid höga temperaturer. Metallatomerna vandrar genom hålen i grafen till grafen/kiselkarbidgränssnittet, skapa en smörgåsstruktur av kiselkarbid, metall och grafen. Processen för att skapa 2-D-metaller kallas inneslutning heteroepitaxy, eller CHet.

"Vi kallar det CHet på grund av metallens begränsade natur, och det faktum att det är epitaxialt - atomerna ligger alla i linje - till kiselkarbiden, en viktig aspekt för de unika egenskaper vi ser i dessa system, "noterade Joshua Robinson, seniorförfattare och docent i materialvetenskap och teknik, Penn State.

"I det här pappret, fokus ligger på de grundläggande egenskaperna hos metaller som kommer att möjliggöra en ny uppsättning forskningsämnen, "sa Robinson." Det visar att vi kan utveckla nya 2-D-materialsystem som är tillämpliga inom en rad heta ämnen som t.ex. där grafen är en nyckellänk som gör att vi kan tänka på att kombinera väldigt olika material som normalt inte går att kombinera för att ligga till grund för supraledande eller fotoniska qubits. "

Nästa steg i deras studier kommer att innebära att bevisa det superledande, avkänning, optiska och katalytiska egenskaper hos dessa skiktade material. Utöver att skapa unika 2-D-metaller, laget fortsätter att utforska nya 2-D halvledande material med CHet som skulle vara av intresse för elektronikindustrin för framtida elektronik utöver kisel.

Ytterligare författare från Penn State inkluderar tidigare doktorand i Robinson-gruppen och medförfattare Brian Bersch, doktorand Yuanxi Wang, och professorerna Cui-Zu Chang, Jun Zhu, Adri van Duin och Vincent Crespi.

De Naturmaterial papper är "Atomically Thin Half-van der Waals Metals via Confinement Heteroepitaxy."