Wetenschap
Illustratie. Quasi-tweedimensionaal goud. Krediet:Ella Maru Studio
Onderzoekers van het MIPT Center for Photonics and 2-D Materials hebben een quasi-2-D goudfilm gesynthetiseerd, onthullend hoe materialen die gewoonlijk niet als tweedimensionaal worden geclassificeerd, atomair dunne lagen kunnen vormen. Gepubliceerd in Geavanceerde materiaalinterfaces , de studie toont aan dat door het gebruik van monolaag molybdeendisulfide als adhesielaag, quasi-2-D goud kan op een willekeurig oppervlak worden afgezet. Het team zegt dat de resulterende ultradunne goudfilms, die slechts enkele nanometers dik zijn, geleiden elektriciteit zeer goed en zijn nuttig voor flexibele en transparante elektronica. De bevinding kan bijdragen aan een nieuwe klasse optische metamaterialen met het unieke potentieel om licht te beheersen.
Het eerste ontdekte 2D-materiaal, grafeen is een één atoom dik vel koolstofatomen in een honingraatformatie. De synthese en de studie van zijn opwindende eigenschappen hebben geleid tot een geheel nieuw gebied van wetenschap en technologie. De baanbrekende experimenten met grafeen leverden MIPT-afgestudeerden Andre Geim en Kostya Novoselov in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde op.
Vanaf dat moment, meer dan 100 grafeen neven zijn ontdekt. Hun intrigerende eigenschappen hadden toepassingen in de biogeneeskunde, elektronica en de lucht- en ruimtevaartindustrie. Deze materialen behoren tot de klasse van gelaagde kristallen waarvan de lagen zwak aan elkaar zijn gebonden maar een sterke interne integriteit hebben. Bijvoorbeeld, het grafiet in een potlood bestaat in wezen uit veel op elkaar gestapelde lagen grafeen die zo zwak zijn gebonden dat Geim en Novoselov de beroemde plakband gebruikten om ze af te pellen.
Echter, veel materialen, zoals goud, zilver, en koper, hebben geen gelaagde structuur. Nog altijd, ze zouden theoretisch 2D-lagen kunnen vormen, wat onmisbaar zou zijn voor flexibele en transparante elektronica. Een van de mogelijke toepassingen zijn zelfs ultradunne elektroden die neurale interfaces mogelijk maken met het potentieel om medische problemen op te lossen, en uiteindelijk het zenuwstelsel van een levend wezen integreren met elektronische apparaten.
Tot voor kort, de enige technologie voor het afzetten van metaalfilms op willekeurige oppervlakken leverde lagen op die niet dun genoeg waren. Het omvat het thermisch verdampen van een 3D-metaalmonster in hoog vacuüm. De verdampte metaaldeeltjes hechten zich vervolgens aan een op silicium gebaseerd substraat, het vormen van nano-eilandjes, die langzaam groeien, uiteindelijk de kloof tussen hen dichten. Dit proces levert pas relatief homogene films op als ze 20 nanometer dik zijn. Ingenieurs hebben transparante films nodig, wat betekent dat ze meer dan twee keer dunner moeten zijn. Eerder stoppen met de deponering is ook geen optie, omdat de films nog te veel gaten en inhomogeniteiten hebben (zie de afbeelding rechtsonder in figuur 2), hun elektrische geleidbaarheid aantasten. evenzo, een metalen gaas is een slechtere geleider in vergelijking met een plaat metaal.
Figuur 1. De in het onderzoek gebruikte methode:Goud (Au) wordt afgezet op een monolaag van molybdeendisulfide (MoS₂), die rust op een silicium (Si) substraat met een geoxideerde laag gelabeld Si02; "vdW-kloof" geeft de van der Waals-kloof aan. Krediet:MIPT
De onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology begonnen met de hypothese dat 2D-metalen op andere 2D-materialen zouden kunnen worden afgezet. Grafeen was de eerste kandidaat, maar goud vertoonde een slechte bevochtiging. Als resultaat, goud werd afgezet in de vorm van pilaren. Deze verticale groeiwijze maakte het dichten van de gaten in de film problematisch. Hoewel goudafzetting op grafeen interessant is voor andere toepassingen, zoals oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie, de op deze manier verkregen films van minder dan 10 nanometer geleiden geen elektriciteit.
Het team ging verder met het onderzoeken van metaalfilmgroei op 2-D overgangsmetaaldichalcogeniden. specifiek, molybdeendisulfide werd gebruikt, omdat bekend is dat zwavelverbindingen een van de weinige zijn die stabiele bindingen met goud vormen.
“Dat idee hadden we al een tijdje. veel van de technologieën voor het werken met 2D-materialen zijn nog in ontwikkeling. Ze zijn niet allemaal overal verkrijgbaar, " legde Joeri Stebunov uit, een van de hoofdauteurs van het artikel. "Deze studie vereiste aanzienlijke middelen, zowel menselijk als materieel. Het is door het verkrijgen van een subsidie in het kader van het presidentiële programma dat we onze ideeën in de praktijk kunnen brengen."
De MIPT-onderzoekers gebruikten thermische verdamping in hoog vacuüm om dunne goudfilms af te zetten op een siliciumsubstraat bedekt met siliciumdioxide en een monolaag van molybdeendisulfide (figuur 1). Het team gebruikte elektronen- en atoomkrachtmicroscopie om de structuur van deze goudfilms in verschillende diktes te vergelijken met analoge films die op puur siliciumdioxide zijn gegroeid - dat wil zeggen, zonder de monolaag van molybdeendisulfide (figuur 2). De toegevoegde 2D-materiaalinterface resulteerde in continue goudfilms met superieure elektrische geleidbaarheid bij een kleinere dikte van slechts 3-4 nanometer.
Aangezien fotonische en opto-elektronische apparaten een belangrijke toepassing zijn van dergelijke quasi-2-D metaalfilms, de fysici bestudeerden de optische eigenschappen van hun monsters via spectrale ellipsometrie, rapportage voor de eerste keer de optische constanten voor ultradunne goudfilms.
Figuur 2. Goudfilms (Au) van variërende dikte - aangegeven in nanometers (nm) - afgezet op het conventioneel gebruikte siliciumdioxidesubstraat (SiO₂, onderste rij) en een monolaag van molybdeendisulfide (MoS₂, bovenste rij), zoals gezien met een elektronenmicroscoop. Krediet:de onderzoekers
De senior auteur van de krant, professor Valentin Volkov van de Universiteit van Zuid-Denemarken, die ook aan het hoofd staat van het Laboratorium voor Nanooptica en Plasmonics bij MIPT, merkte op:"Elke onderzoeker kan onze gegevens gebruiken om fotonische of opto-elektronische apparaten te modelleren of zelfs de kunstmatige materialen die bekend staan als metamaterialen. Uiteindelijk, de technologie die we hebben voorgesteld, kan helpen om dergelijke materialen en apparaten te ontwerpen."
Een enkele toegevoegde laag molybdeendisulfide maakte recorddunne en gladde metaalfilms mogelijk. Het team benadrukt de universele toepasbaarheid van hun techniek:de monolaag kan worden afgezet op een willekeurig oppervlak met alle eigenschappen om een ultradunne, ultragladde metaalfilmcoating. Dergelijke quasi-2-D metaallagen kunnen worden geïntegreerd in meerlaagse "sandwich"-structuren waarin verschillende 2D-materialen zijn verwerkt. Bekend als van der Waals heterostructuren, ze kunnen verschillende "ingrediënten, "inclusief halfgeleiders, diëlektrica, halfmetalen, en - vanaf nu - metalen, te.
Een co-auteur van de studie, Aleksej Arsenin, die aan het hoofd staat van het Center for Photonics and 2D Materials bij MIPT, toegevoegd:"We verwachten dat dit slechts het begin is van quasi-2-D metaalwetenschap. Een tijdje geleden, deze materialen waren zelfs voor wetenschappers ontoegankelijk. Met onze technologie, we kunnen praten over de vooruitzichten die ze hebben voor flexibele en transparante elektronica. Hopelijk, we zullen het binnenkort in productie zien."
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com