Metaller kännetecknas vanligtvis av god elektrisk ledningsförmåga. Det gäller i synnerhet guld och silver. Dock, forskare från Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart, tillsammans med partners i Pisa och Lund, har nu upptäckt att vissa ädelmetaller förlorar denna egenskap om de är tillräckligt tunna. Den yttersta delen av ett endast en atomtjockt lager beter sig alltså som en halvledare. Detta visar återigen att elektroner beter sig annorlunda i det tvådimensionella lagret av ett material än i tredimensionella strukturer. De nya fastigheterna kan potentiellt leda till ansökningar, till exempel inom mikroelektronik och sensorteknik.

Man kan tro att bladguld, som bara är 0,1 µm tjock, är faktiskt ganska tunn. Långt ifrån. Den kan faktiskt vara flera hundra gånger tunnare. Till exempel, forskargruppen av Ulrich Starke och hans tidigare doktorand Stiven Forti har framgångsrikt skapat ett guldlager som bara är en enda atom tjockt. Tvådimensionellt guld, så att säga.

Starke är chef för Interface Analysis Facility vid Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart. Hans team har länge arbetat på gränsen mellan tredimensionella (voluminösa) och tvådimensionella (plana) material. Fasta tillståndsforskare är intresserade av denna övergång eftersom den är förknippad med förändringar i vissa materialegenskaper. Detta har tidigare visats i tvådimensionellt kol, eller grafen. Bland annat, dess elektroner är betydligt mer rörliga och tillåter den elektriska ledningsförmågan att öka till 30 gånger den hos den relaterade tredimensionella grafiten.

Guldatomer trycks mellan grafen och kiselkarbid

Dock, för många metaller, att producera lager av material som bara är en atoms tjocklek är inte en lätt uppgift. "Med klassiska deponeringsmetoder, guld atomer, till exempel, skulle omedelbart agglomerera till tredimensionella kluster", förklarar Starke. Hans team arbetar därför med en annan metod – interkalering – som de gjorde pionjärarbete på för runt 10 år sedan. Interkalering betyder bokstavligen att glida något emellan. Och det är precis så det fungerar. Forskarna börjar med en kiselkarbidskiva. Med hjälp av en process som de själva utvecklat, de omvandlar först dess yta till ett enatomärt lager av grafen. "Om vi ​​förångar sublimerat guld till detta kiselkarbid-grafenarrangemang i ett högt vakuum, guldatomerna vandrar mellan karbiden och grafenen", förklarar Forti. Den tidigare doktoranden Max Planck forskar nu vid Center for Nanotechnology Innovation i Pisa. Det är ännu inte helt förstått hur de tjocka guldatomerna kommer in i det mellanliggande utrymmet. Men så mycket är klart:högre temperaturer gynnar processen.

Teamet hade också tillämpat interkalationstekniken på andra element, inklusive germanium, koppar, och gadolinium. Än, enligt Forti, huvudfokus var påverkan på grafenens egenskaper. När det gäller guld, dock, det upptäcktes för första gången att de interkalerade atomerna ordnade sig i en regelbunden, periodiskt återkommande tvådimensionell struktur - kristallin - längs kiselkarbidytan. "Om interkaleringen utförs vid 600°C, grafenskiktet hindrar guldatomerna från att agglomerera och bilda droppar", säger Forti om kolskiktets funktion i sandwichstrukturen.

Ett guldlager som består av endast två atomlager leder som en metall

Den framgångsrika förberedelsen av guldskiktet med en atomtjocklek var bara det första steget. Senare, de extremt tunna materialen och deras eventuellt speciella egenskaper blev intressanta för forskarna. De kunde verkligen visa att det extremt tunna lagret av guld utvecklar sina egna elektroniska och halvledaregenskaper. För att jämföra:den elektriska ledningsförmågan för voluminöst (dvs tredimensionellt guld) är nästan lika bra som för koppar. Eftersom teoretiska överväganden förutspår en metallisk karaktär för rent 2D-guld, halvledarfyndet var något överraskande. "Interaktioner mellan guldatomerna och antingen kiselkarbiden eller grafenkolet spelar uppenbarligen fortfarande en roll här. Detta påverkar elektronernas energinivåer", säger Starke.

Halvledare är väsentliga material inom mikroelektronik och andra områden. Till exempel, elektroniska omkopplingselement som dioder eller transistorer är baserade på den. Starkes team kan tänka sig några typiska halvledarapplikationer för det nya 2D-materialet. Ett andra lager av guldatomer ger återigen en metallisk karaktär - och påverkar därmed den elektriska ledningsförmågan. "Genom att variera mängden sublimerat guld, vi kan noggrant kontrollera om ett eller två lager av guld bildas", förklarar Forti.

Det skulle därför vara tänkbart att använda komponenter med alternerande enkel- eller dubbelatomära guldskikt. Den nya tillverkningsmetoden skulle då behöva kombineras på lämpligt sätt med vanliga litografiska metoder för spånframställning. Till exempel, dioder som är betydligt mindre än konventionella kan tillverkas. Enligt Starke, de olika elektroniska tillstånden av enkel- och dubbelskiktsguld skulle också kunna användas i optiska sensorer.

Elektroniska effekter även i grafenskiktet

En annan applikationsidé härrör från effekter orsakade av det interkalerade guldet i det intilliggande grafenskiktet, som tydligen beror på guldets tjocklek. "Ett guldlager en atomtjockt orsakar en n-dopning i grafenet. Det betyder att vi får elektroner som laddningsbärare", säger Forti. På ställen där guldet är två atomlager tjockt, precis tvärtom – p-doping – händer. Där, saknade elektroner eller positivt laddade så kallade "hål" fungerar som laddningsbärare. Guldet förstärker också interaktionen mellan plasmoner (d.v.s. fluktuationer i laddningsbärarnas täthet) med elektromagnetisk strålning. "En strukturerad, alternerande arrangemang av n- och p-dopning i grafenet skulle alltså kunna användas. Till exempel, som ett mycket känsligt men ändå högupplöst detektorsystem för terahertzstrålning som de som används vid materialtestning, för säkerhetskontroller på flygplatser, eller för trådlös dataöverföring", säger Starke.

Starkes team har redan tagit nästa steg i produktionen av tvådimensionella lager av ädelmetall. Också i ett interkalationsexperiment med silver, ett strikt kristallint tvådimensionellt silverskikt bildat mellan kiselkarbid och grafen. Och vad mer:även denna metall, som vanligtvis är en ännu bättre elektrisk ledare än guld, blir en halvledare när den reduceras till två dimensioner. De initiala resultaten indikerar att energin som krävs för att göra silverskiktet elektriskt ledande förmodligen är högre än för 2D-guld. "Halvledaregenskaperna hos en komponent tillverkad av detta material kan därför vara termiskt stabilare än de för guld", säger Starke om möjliga praktiska konsekvenser.