Een atomair dun materiaalplatform ontwikkeld door Penn State-onderzoekers in samenwerking met Lawrence Berkeley National Lab en Oak Ridge National Lab zal een breed scala aan nieuwe toepassingen in biomoleculaire detectie openen, kwantumverschijnselen, katalyse en niet-lineaire optica.

"We hebben gebruik gemaakt van ons begrip van een speciaal type grafeen, nagesynchroniseerde epitaxiale grafeen, om unieke vormen van atomair dunne metalen te stabiliseren, " zei Natalie Briggs, een promovendus en co-hoofdauteur van een paper in het tijdschrift Natuurmaterialen . "Interessant, deze atomair dunne metalen stabiliseren in structuren die totaal verschillen van hun bulkversies, en hebben dus zeer interessante eigenschappen in vergelijking met wat wordt verwacht in bulkmetalen."

traditioneel, wanneer metalen worden blootgesteld aan lucht, beginnen ze snel te oxideren - roesten. In slechts één seconde, metalen oppervlakken kunnen een roestlaag vormen die de metallische eigenschappen zou vernietigen. In het geval van een 2D-metaal, dit zou de hele laag zijn. Als je een metaal zou combineren met andere 2D-materialen via traditionele syntheseprocessen, de chemische reacties tijdens de synthese zouden de eigenschappen van zowel het metaal als het gelaagde materiaal verpesten. Om deze reacties te voorkomen, het team maakte gebruik van een methode die het 2D-metaal automatisch afdekt met een enkele laag grafeen terwijl het 2D-metaal wordt gemaakt.

De onderzoekers beginnen met siliciumcarbide dat ze verhitten tot een hoge temperatuur. Het silicium verlaat het oppervlak, en de resterende koolstof reconstrueert tot epitaxiaal grafeen. belangrijk, de grafeen/siliciumcarbide-interface is slechts gedeeltelijk stabiel en wordt gemakkelijk gepassiveerd door bijna elk element, als het element toegang heeft tot deze interface.

Het team biedt deze toegang door gaten in het grafeen te prikken met een zuurstofplasma, en vervolgens verdampen ze pure metaalpoeders op het oppervlak bij hoge temperaturen. De metaalatomen migreren door de gaten in het grafeen naar het grafeen/siliciumcarbide grensvlak, het creëren van een sandwichstructuur van siliciumcarbide, metaal en grafeen. Het proces om de 2D-metalen te creëren wordt opsluiting hetero-epitaxie genoemd, of CHet.

"We noemen het CHet vanwege de beperkte aard van het metaal, en het feit dat het epitaxiaal is - de atomen staan ​​allemaal op één lijn - met het siliciumcarbide, een belangrijk aspect van de unieke eigenschappen die we in deze systemen zien, " merkte Joshua Robinson op, senior auteur en universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, Penn State.

"In deze krant, de focus ligt op de fundamentele eigenschappen van de metalen die een nieuwe reeks onderzoeksthema's mogelijk gaan maken, "zei Robinson. "Het laat zien dat we in staat zijn om nieuwe 2D-materiaalsystemen te ontwikkelen die toepasbaar zijn in een verscheidenheid aan actuele onderwerpen zoals kwantum, waarbij grafeen een belangrijke schakel is die ons in staat stelt om na te denken over het combineren van zeer verschillende materialen die normaal niet kunnen worden gecombineerd om de basis te vormen voor supergeleidende of fotonische qubits."

De volgende stappen in hun studie zijn het bewijzen van de supergeleidende, voelen, optische en katalytische eigenschappen van deze gelaagde materialen. Naast het creëren van unieke 2D-metalen, het team blijft met CHet nieuwe 2D-halfgeleidende materialen onderzoeken die interessant zouden zijn voor de elektronica-industrie in toekomstige elektronica buiten silicium.

Andere auteurs van Penn State zijn onder meer voormalig doctoraalstudent in de Robinson-groep en co-hoofdauteur Brian Bersch, promovendus Yuanxi Wang, en professoren Cui-Zu Chang, juni Zhu, Adri van Duin en Vincent Crespi.

De Natuurmaterialen paper is "Atomically Thin Half-van der Waals Metals via Confinement Heteroepitaxy."