Metalen worden meestal gekenmerkt door een goede elektrische geleidbaarheid. Dit geldt met name voor goud en zilver. Echter, onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Solid State Research in Stuttgart, samen met partners in Pisa en Lund, hebben nu ontdekt dat sommige edelmetalen deze eigenschap verliezen als ze dun genoeg zijn. Het uiterste van een laag van slechts één atoom dik gedraagt ​​zich dus als een halfgeleider. Dit toont nogmaals aan dat elektronen zich in de tweedimensionale laag van een materiaal anders gedragen dan in driedimensionale structuren. De nieuwe eigenschappen kunnen mogelijk leiden tot toepassingen, bijvoorbeeld in micro-elektronica en sensortechnologie.

Je zou kunnen denken dat bladgoud, die slechts 0,1 µm dik is, is eigenlijk vrij dun. Verre van. Het kan zelfs honderden keren dunner zijn. Bijvoorbeeld, het onderzoeksteam van Ulrich Starke en zijn voormalige promovendus Stiven Forti hebben met succes een goudlaag van slechts één atoom dik gemaakt. Tweedimensionaal goud, bij wijze van spreken.

Starke is hoofd van de Interface Analysis Facility van het Max Planck Institute for Solid State Research in Stuttgart. Zijn team werkt al lang op de grens tussen driedimensionale (volumineuze) en tweedimensionale (vlakke) materialen. Vaste-stofonderzoekers zijn geïnteresseerd in deze overgang omdat deze gepaard gaat met veranderingen in bepaalde materiaaleigenschappen. Dit is eerder aangetoond in tweedimensionale koolstof, of grafeen. Onder andere, de elektronen zijn aanzienlijk mobieler en zorgen ervoor dat de elektrische geleidbaarheid kan toenemen tot 30 keer die van het verwante driedimensionale grafiet.

Goudatomen worden tussen grafeen en siliciumcarbide geduwd

Echter, voor veel metalen, het produceren van materiaallagen van slechts één atoom dik is geen gemakkelijke taak. "Met klassieke depositiemethoden, gouden atomen, bijvoorbeeld, zou onmiddellijk agglomereren in driedimensionale clusters", legt Starke uit. Zijn team werkt daarom met een andere methode, intercalatie, waar ze zo'n 10 jaar geleden pionierswerk mee deden. Intercalatie betekent letterlijk iets er tussenin schuiven. En dat is precies hoe het werkt. De onderzoekers beginnen met een siliciumcarbidewafel. Met behulp van een proces dat ze zelf hebben ontwikkeld, ze zetten eerst het oppervlak om in een enkel-atomaire laag grafeen. "Als we gesublimeerd goud verdampen op dit siliciumcarbide-grafeen arrangement in een hoog vacuüm, de goudatomen migreren tussen het carbide en het grafeen", legt Forti uit. De voormalig Max Planck-promovendus doet nu onderzoek bij het Center for Nanotechnology Innovation in Pisa. Het is nog niet helemaal duidelijk hoe de dikke goudatomen in de interstitiële ruimte komen. Maar zoveel is duidelijk:hogere temperaturen begunstigen het proces.

Het team had de intercalatietechniek ook toegepast op andere elementen, inclusief germanium, koper, en gadolinium. Nog, volgens Forti, de belangrijkste focus was de invloed op de eigenschappen van grafeen. In het geval van goud, echter, voor het eerst werd gevonden dat de geïntercaleerde atomen zich in een regelmatige, periodiek terugkerende tweedimensionale structuur - kristallijn - langs het oppervlak van siliciumcarbide. "Als de intercalatie wordt uitgevoerd bij 600°C, de grafeenlaag voorkomt dat de goudatomen agglomereren en druppels vormen", zegt Forti over de functie van de koolstoflaag in de sandwichstructuur.

Een goudlaag die uit slechts twee atoomlagen bestaat, geleidt als een metaal

De succesvolle voorbereiding van de goudlaag van één atoomdikte was slechts de eerste stap. Vervolgens, de extreem dunne materialen en hun mogelijk bijzondere eigenschappen werden interessant voor de onderzoekers. Ze zouden inderdaad kunnen aantonen dat de extreem dunne laag goud zijn eigen elektronische en halfgeleidereigenschappen ontwikkelt. Ter vergelijking:de elektrische geleidbaarheid van volumineus (d.w.z. driedimensionaal goud) is bijna net zo goed als die van koper. Omdat theoretische overwegingen een metallisch karakter voorspellen voor puur 2-D goud, de bevinding van de halfgeleider was enigszins verrassend. "Interacties tussen de goudatomen en ofwel het siliciumcarbide ofwel de grafeenkoolstof spelen hier natuurlijk nog steeds een rol. Dit beïnvloedt de energieniveaus van de elektronen", zegt Starke.

Halfgeleiders zijn essentiële materialen in micro-elektronica en andere gebieden. Bijvoorbeeld, elektronische schakelelementen zoals diodes of transistoren zijn hierop gebaseerd. Het team van Starke kan enkele typische halfgeleidertoepassingen bedenken voor het nieuwe 2D-materiaal. Een tweede laag goudatomen geeft weer een metaalachtig karakter - en beïnvloedt zo de elektrische geleidbaarheid. "Door de hoeveelheid gesublimeerd goud te variëren, we kunnen nauwkeurig controleren of een of twee lagen goud zich vormen", legt Forti uit.

Het zou daarom denkbaar zijn om componenten te gebruiken met alternerende enkel- of dubbel-atomaire goudlagen. De nieuwe fabricagemethode zou dan op passende wijze moeten worden gecombineerd met gangbare lithografische methoden voor de productie van chips. Bijvoorbeeld, diodes die aanzienlijk kleiner zijn dan conventionele kunnen worden geproduceerd. Volgens Starke, de verschillende elektronische toestanden van enkel- en dubbellaags goud kunnen ook worden gebruikt in optische sensoren.

Elektronische effecten ook in de grafeenlaag

Een ander toepassingsidee is het resultaat van effecten veroorzaakt door het geïntercaleerde goud in de aangrenzende grafeenlaag, die blijkbaar afhankelijk zijn van de dikte van het goud. "Een goudlaagje van één atoom dik zorgt voor een n-dotering in het grafeen. Hierdoor krijgen we elektronen als ladingsdragers", zegt Forti. Op plekken waar het goud twee atoomlagen dik is, precies het tegenovergestelde - p-doping - gebeurt. Daar, ontbrekende elektronen of positief geladen zogenaamde "gaten" fungeren als ladingsdragers. Het goud versterkt ook de interactie van plasmonen (d.w.z. fluctuaties in de dichtheid van ladingsdragers) met elektromagnetische straling. "Een gestructureerde, afwisselende rangschikking van n- en p-doping in het grafeen zou dus kunnen worden gebruikt. Bijvoorbeeld, als een zeer gevoelige detectorarray met hoge resolutie voor terahertz-straling zoals die wordt gebruikt bij het testen van materialen, voor veiligheidscontroles op luchthavens, of voor draadloze gegevensoverdracht", zegt Starke.

Het team van Starke heeft de volgende stap al gezet in de productie van tweedimensionale edelmetaallagen. Ook in een intercalatie-experiment met zilver, een strikt kristallijne tweedimensionale zilverlaag gevormd tussen siliciumcarbide en grafeen. En wat meer is:zelfs dit metaal, dat meestal een nog betere elektrische geleider is dan goud, wordt een halfgeleider wanneer teruggebracht tot twee dimensies. De eerste resultaten geven aan dat de energie die nodig is om de zilverlaag elektrisch geleidend te maken waarschijnlijk hoger is dan voor 2-D goud. "De halfgeleidereigenschappen van een component gemaakt van dit materiaal kunnen daarom thermisch stabieler zijn dan die van goud", zegt Starke over mogelijke praktische consequenties.