Zoals de dingen vaak gebeuren in de wetenschap, Amey Apte was niet op zoek naar tweedimensionaal tellurium tijdens het experimenteren met materialen aan de Rice University. Maar daar was het.

"Het is alsof ik probeerde een cent te vinden en in plaats daarvan een dollar vond, " hij zei.

Apte en zijn collega's maakten tellurium, een zeldzaam metaal, tot een film van minder dan een nanometer (een miljardste van een meter) dik door een poeder van het element bij hoge temperatuur te smelten en de atomen op een oppervlak te blazen. Hij zei dat het resulterende materiaal, tellurene, toont belofte voor de volgende generatie, nabij-infrarood zonnecellen en andere opto-elektronische toepassingen die afhankelijk zijn van de manipulatie van licht.

De slanke jackpot wordt beschreven in 2D Materials.

"Ik probeerde een overgangsmetaal dichalcogenide te kweken, wolfraam ditelluride, maar omdat wolfraam een ​​hoog smeltpunt heeft was het moeilijk, " zei Apte, een afgestudeerde student in het Rice-lab van materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan en co-hoofdauteur van het artikel. "Maar ik heb enkele andere films gezien die mijn interesse wekten."

De andere films bleken ultradunne kristallen van puur tellurium te zijn. Verdere experimenten brachten de onderzoekers ertoe het nieuwe materiaal in twee vormen te creëren:een grote, consistente film van ongeveer 6 nanometer dik die een vierkante centimeter bedekte, en een film met drie atomen die minder dan een nanometer dik was.

"Overgangsmetalen dichalcogeniden zijn tegenwoordig een rage, maar dat zijn allemaal samengestelde 2D-materialen, "Ajayan zei. "Dit materiaal is een enkel element en vertoont evenveel structurele rijkdom en variëteit als een verbinding, dus 2D-tellurium is zowel vanuit theoretisch als experimenteel oogpunt interessant. Enkelvoudige chalcogeenlagen van atomaire dunheid zouden interessant zijn, maar zijn niet veel bestudeerd."

Foto's gemaakt met Rice' krachtige elektronenmicroscoop toonden aan dat de atomaire lagen zich precies hadden gerangschikt zoals de theorie voorspelde, als grafeenachtige zeshoekige platen die enigszins ten opzichte van elkaar zijn verschoven. het tellurene, gemaakt bij een temperatuur van 650 graden Celsius (1, 202 graden Fahrenheit) oven door bulk telluriumpoeder te smelten, leek ook voorzichtig te zijn geknikt op een manier die op subtiele wijze de relaties tussen de atomen op elke laag verandert.

"Daarom, we zien verschillende polytypes, wat betekent dat de kristalstructuur van het materiaal hetzelfde blijft, maar de atomaire rangschikking kan verschillen op basis van hoe de lagen zijn gestapeld, "Zei Apte. "In dit geval, de drie polytypes die we onder de microscoop zien, komen overeen met theoretisch voorspelde structuren en hebben totaal verschillende roosterrangschikkingen die elke fase verschillende eigenschappen geven."

"De anisotropie in het vlak betekent ook dat de eigenschappen van optische absorptie, transmissie of elektrische geleidbaarheid zullen in de twee hoofdrichtingen verschillend zijn, " zei Rice afgestudeerde student en co-hoofdauteur Elizabeth Bianco. "Bijvoorbeeld, tellurene kan elektrische geleiding vertonen tot drie ordes van grootte hoger dan molybdeendisulfide, en het zou nuttig zijn in de opto-elektronica."

Dikkere telluriumfilms werden ook gemaakt onder vacuüm bij kamertemperatuur via gepulseerde laserdepositie, die atomen uit de massa straalde en hen in staat stelde een stabiele film te vormen op een magnesiumoxide-oppervlak.

Tellurene zou topologische eigenschappen kunnen hebben met mogelijke voordelen voor spintronica en magneto-elektronica. "Telluriumatomen zijn veel zwaarder dan koolstof, Apte zei. "Ze laten een fenomeen zien dat spin-baankoppeling wordt genoemd, die erg zwak is in lichtere elementen, en maakt veel meer exotische fysica mogelijk, zoals topologische fasen en kwantumeffecten."

"Het fascinerende aan tellurene dat het onderscheidt van andere 2D-materialen is de unieke kristalstructuur en hoge smelttemperatuur, " zei co-auteur Ajit Roy, materiaalwetenschapper bij het Air Force Research Laboratory op Wright-Patterson Air Force Base in Dayton, Ohio. "Dat stelt ons in staat om het prestatiebereik van opto-elektronica uit te breiden, thermo-elektrische en andere dunne-filmapparaten."