С момента открытия графена в 2004 году исследования двумерных (2D) материалов активно развиваются, открывая горизонты как в фундаментальной науке, так и в технологических приложениях. На сегодняшний день было предсказано почти 2000 двумерных материалов, и сотни из них были успешно синтезированы в лабораториях. Однако большинство из этих материалов ограничены слоистыми структурами, основанными на Ван-дер-Ваальсе (vdW), что ограничивает их возможное применение.
Одной из главных целей в этой области является разработка атомарно тонких двумерных металлов, что значительно расширило бы возможности применения 2D-материалов и открыло новые физические явления и архитектуры устройств. Несмотря на значительные усилия в последние годы, создание высококачественных двумерных металлов на больших площадях в атомном масштабе оставалось серьёзной проблемой.
Прорыв с использованием vdW-сжатия
Однако теперь исследователи из Института физики Китайской академии наук представили универсальную технологию на атомном уровне — сжатие vdW, которое позволяет создавать двумерные металлы с предельной толщиной в ангстремы. Результаты их работы были недавно опубликованы в журнале Nature.
Процесс изготовления включает плавление и сжатие чистых металлов между двумя жёсткими наковальнями vdW под высоким давлением. С помощью этой технологии учёные получили различные атомарно тонкие двумерные металлы, такие как Bi (~6,3 Å), Sn (~5,8 Å), Pb (~7,5 Å), In (~8,4 Å) и Ga (~9,2 Å).
Стабильность и эксплуатационные характеристики 2D-металлов
Наковальни vdW состоят из двух монослоев MoS2, выращенных эпитаксиально на сапфире. Эти наковальни необходимы для процесса по двум причинам. Во-первых, их атомарно плоская поверхность обеспечивает равномерную толщину 2D-металлов на больших площадях. Во-вторых, высокий модуль Юнга материалов (более 300 ГПа) позволяет выдерживать экстремальные давления, что даёт возможность создавать двумерные металлы на пределе толщины в ангстремы.
Синтезированные 2D-металлы были стабилизированы путём инкапсуляции между двумя монослоями MoS2, что не только обеспечило их стабильность в неблагоприятных условиях, но и минимизировало межслойные взаимодействия. Это улучшение облегчило создание устройств, открывая доступ к внутренним транспортным свойствам материалов, которые ранее были недоступны. Электрические и спектроскопические измерения для монослоя Bi показали отличные физические характеристики, включая значительно повышенную электропроводность, сильный полевой эффект с поведением p-типа, большую нелинейную проводимость Холла и новые фононные моды.
Атомарная точность и будущие приложения
Метод vdW-сжатия предлагает не только универсальный подход к созданию различных 2D-металлов, но и позволяет контролировать их толщину с атомной точностью (монослойные, бислойные или трёхслойные структуры) путём регулирования давления сжатия. Это открывает исключительные возможности для изучения экзотических слоистых свойств двумерных металлов, что было невозможно ранее.
Профессор Гуанъюй Чжан из IOP, автор исследования, отметил, что метод сжатия vdW является эффективным способом производства 2D-металлических сплавов, а также аморфных и других двумерных материалов, не относящихся к vdW. Он подчеркнул, что эта технология открывает яркое будущее для широкого спектра новых квантовых, электронных и фотонных устройств.
Источник: https://scitechdaily.com/beyond-graphene-scientists-create-ultra-thin-2d-metals-for-the-first-time/
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
