Tweedimensionale materialen zijn een beetje een verbijsterend concept. Mensen leven in een driedimensionale wereld, ten slotte, waar alles wat in onze natuurlijke wereld wordt waargenomen hoogte heeft, breedte, en diepte. En toch wanneer grafeen - een koolstofmateriaal dat uniek is in zijn echt platte, één-atoom-diepe dimensie - werd voor het eerst geproduceerd in 2004, het geestverruimende concept werd realiteit en een onontgonnen grens in de materiaalwetenschap.

Ames Laboratory-wetenschappers Pat Thiel en Michael Tringides zijn ontdekkingsreizigers op die grens, het ontdekken van de unieke eigenschappen van tweedimensionale (2-D) materialen en metalen gekweekt op grafeen, grafiet, en andere met koolstof gecoate oppervlakken.

"Ons werk is een beetje een wonder, als wetenschappers over wonderen kunnen praten, " zei Tringides, die ook hoogleraar natuurkunde is aan de Iowa State University. "Slechts een paar decennia geleden, niemand zou hebben geloofd dat we individuele atomen konden zien, maar onze mogelijkheden stellen ons nu niet alleen in staat om ze te zien, maar manipuleer ze, als een kind dat bouwt met Legoblokjes. We zijn in staat om deze materialen van onderaf te creëren, die nooit in de natuur zouden kunnen gebeuren."

Ze zijn gemaakt in een gecontroleerde laboratoriumomgeving, in een ultrahoogvacuümomgeving, en onderzocht met behulp van scanning tunneling microscopie. Na verhitting van het substraat tot hoge temperatuur worden alle onzuiverheden en defecten verwijderd. Het substraat wordt gekoeld en interessante atomen worden één voor één afgezet uit speciaal daarvoor ontworpen bronnen. Door de temperatuur en depositiesnelheid af te stemmen, de onderzoekers zoeken naar de Goudlokje-achtige toestand:atomen bewegen niet te snel en niet te langzaam, dus een echt 2D-materiaal vormt zich.

Terwijl hun onderzoeksgroepen een verscheidenheid aan oppervlaktematerialen creëren in hun werk, de fabricagemethoden hebben allemaal één ding gemeen:proberen de assemblage van de atomen te beperken tot het 2D-vlak. Dat is moeilijk, omdat het in strijd is met wat atomen van nature willen doen onder de meeste omstandigheden, in drie dimensies te monteren.

"Atomen zijn van nature chaotisch; we bestrijden deze willekeur in alles wat we doen, " zei Tringides. "In ons werk, atomen zijn nauwkeurig gerangschikt op een zeer reactief oppervlak in een vacuüm. Elk aspect van de omgeving wordt gecontroleerd. Ons werk is om zeer kleine, heel proper, en zeer perfect. Werken aan materialen op nanoschaal vraagt ​​erom."

Leren hoe deze materialen zich gedragen is van het grootste belang. Omdat 2D-materialen allemaal oppervlak zijn zonder bulk, een groot aantal unieke eigenschappen op nanoschaal - chemische, magnetisch, elektronisch, optisch, en thermisch - kan aan hen worden toegeschreven.

"Er is een regelboek voor de eigenschappen van bulk, of driedimensionale materialen, en het bevat grote brokken die universeel worden begrepen en geaccepteerd, " zei Thiel, een fysisch chemicus, materiaal wetenschapper, en Distinguished Professor aan de Iowa State University. "Maar het regelboek voor 2D-materialen is grotendeels ongeschreven. Er zijn veel dingen die we niet weten. We krijgen veel verrassingen, en dan moeten we ze uitleggen."

Het schrijven van het regelboek voor het gedrag van deze materialen is slechts de eerste stap in een groter doel; het creëren van afstembare materialen die mogelijk nuttig kunnen zijn in een groot aantal technische toepassingen, inclusief ultrasnelle micro-elektronica, katalyse, en spintronica.

Het is de reden dat het onderzoek van Thiel en Tringides zich de afgelopen vier jaar heeft gericht op het kweken van metalen op 2D-substraten, waardoor het een belangrijke kracht wordt van het materiaalonderzoek van Ames Laboratory.

Grafeen heeft veel enthousiaste aandacht gekregen in zowel wetenschappelijk onderzoek als de technische industrie omdat elektronen zeer snel langs het oppervlak reizen, legde Tringides uit. Maar om functionele apparaten te maken, het vereist patronen van metalen contacten op nanoschaal op het oppervlak, speciaal ontworpen voor een gewenste functie.

"Wat voor materiaal we ook proberen te maken, uniformiteit van het oppervlak is de sleutel tot een functioneel apparaat, en dat is waar ons 'perfecte' onderzoek om de hoek komt kijken. Die perfectie maakt ons traag, maar het is een afweging, " zei Tringides. "Als we een grondig begrip kunnen krijgen van hoe deze contacten onder ideale omstandigheden in een gecontroleerde omgeving kunnen worden geproduceerd, dan kunnen deze methoden uiteindelijk worden geoptimaliseerd voor commerciële productie en gebruik."

Het meest recente succes van Thiel en Tringides is de intercalatie van dysprosium op grafietlagen. Intercalatie is de introductie van een materiaal in verbindingen met gelaagde structuren. Dat is een echte uitdaging met grafiet, omdat het puur 2D-oppervlak resulteert in "gladde" lagen zonder goede manier om verbindingen tussen hen te vormen.

"Het is als een stapel dekens op een bed, "zei Thiel. "De dekens zelf zijn structureel gezond, maar twee op elkaar gestapelde dekens schuiven rond, van het bed glijden, en kunnen gemakkelijk in lagen worden afgepeld." Maar het team heeft onlangs de omstandigheden ontdekt waaronder ze verschillende soorten geïntercaleerde metaal- en grafietsystemen kunnen maken, die glijdende dekens van materiaal tweedimensionaal met elkaar verbinden. Het is een veelbelovende nieuwe manier om een ​​dunne laag metaal te vormen, beschermd door een koolstofhuid. en zou de weg kunnen banen naar materialen met unieke magnetische of katalytische eigenschappen.

Met zo'n nauw gerichte en sterk gecontroleerde experimentele focus in de basiswetenschap, het zou verleidelijk kunnen zijn om aan te nemen dat hun onderzoek, like their experiments, occurs in a vacuum. But Thiel credits the success of surface science at Ames Laboratory to the close collaboration of varied research groups. "Ames Laboratory is a fertile environment for surface science experiments because we have the opportunity to collaborate directly with many scientists in diverse areas of expertise addressing the same problem from a different viewpoint, " said Thiel, including specialists in photonic band gap materials, optical physics, theory, and materials fabrication. "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."