In een samenwerking tussen het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en de Northeastern University, wetenschappers hebben een model ontwikkeld voor het voorspellen van de vorm van metalen nanokristallen of "eilanden" ingeklemd tussen of onder tweedimensionale (2-D) materialen zoals grafeen. De opmars brengt 2D-kwantummaterialen een stap dichter bij toepassingen in de elektronica.

Ames Laboratory-wetenschappers zijn experts in 2D-materialen, en ontdekte onlangs een unieke combinatie van koper en grafiet, geproduceerd door koper af te zetten op met ionen gebombardeerd grafiet bij hoge temperatuur en in een ultrahoog vacuümomgeving. Hierdoor ontstond een verdeling van koperen eilanden, ingebed onder een ultradunne "deken" bestaande uit enkele lagen grafeen.

"Omdat deze metalen eilanden mogelijk kunnen dienen als elektrische contacten of koellichamen in elektronische toepassingen, hun vorm en hoe ze die vorm bereiken, zijn belangrijke stukjes informatie bij het beheersen van het ontwerp en de synthese van deze materialen, " zei Pat Thiel, een Ames Laboratory-wetenschapper en Distinguished Professor of Chemistry and Materials Science and Engineering aan de Iowa State University.

Wetenschappers van Ames Laboratory gebruikten scanning tunneling microscopie om nauwgezet de vormen van meer dan honderd nanometer-schaal koperen eilanden te meten. Dit vormde de experimentele basis voor een theoretisch model dat gezamenlijk werd ontwikkeld door onderzoekers van het Department of Mechanical and Industrial Engineering van de Northeastern University en van het Ames Laboratory. Het model diende om de gegevens buitengewoon goed uit te leggen. De enige uitzondering, betreffende kopereilanden van minder dan 10 nm hoog, zal de basis vormen voor verder onderzoek.

"We houden ervan om onze fysica toegepast te zien, en dit was een mooie manier om het toe te passen, " zei Scott E. Julien, doctoraat kandidaat, bij Noordoost. "We waren in staat om de elastische respons van het grafeen te modelleren terwijl het over de koperen eilanden valt, en gebruik het om de vormen van de eilanden te voorspellen."

Het werk toonde aan dat de bovenste laag grafeen bestand is tegen de opwaartse druk die wordt uitgeoefend door het groeiende metalen eiland. In werkelijkheid, de grafeenlaag knijpt naar beneden en maakt de koperen eilanden plat. Rekening houdend met deze effecten, evenals met andere belangrijke energieën, leidt dit tot de onverwachte voorspelling van een universele, of maat-onafhankelijk, vorm van de eilanden, tenminste voor voldoende grote eilanden van een bepaald metaal.

"Dit principe zou ook moeten werken met andere metalen en andere gelaagde materialen, " zei onderzoeksassistent, Ann Lii-Rosales. "Experimenteel willen we kijken of we hetzelfde recept kunnen gebruiken om metalen te synthetiseren onder andere soorten gelaagde materialen met voorspelbare resultaten."

Het onderzoek wordt verder besproken in het artikel "Squeezed Nanocrystals:Equilibrium Configuration of Metal Clusters Embedded Beneath the Surface of a Layered Material, " gepubliceerd in nanoschaal .

Het onderzoek was een samenwerking tussen Ames Laboratory en Northeastern University.