Новая Флатландия Материал: физики получают квази-2D золото

Исследователи из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ синтезировали квазидвумерную золотую пленку, показывающую, как материалы, обычно не классифицируемые как двумерные, могут образовывать атомно тонкие слои. Опубликованное в Advanced Material Interfaces исследование показывает, что при использовании монослоя дисульфида молибдена в качестве адгезионного слоя квазидвумерное золото может быть нанесено на произвольную поверхность. Команда говорит, что полученные ультратонкие золотые пленки толщиной всего в несколько нанометров очень хорошо проводят электричество и полезны для гибкой и прозрачной электроники. Появление 2D-металлов приближает нас к новому классу оптических метаматериалов, чей уникальный потенциал управления светом может привести к неожиданным технологиям, таким как плащ-невидимка Гарри Поттера.

иллюстрации. Квазидвумерное золото. Предоставлено: Ella Maru Studio

.

Первый двумерный материал, который был обнаружен, графен, представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом в сотовой формации. Его синтез и изучение его захватывающих свойств породили совершенно новую область науки и техники. «новаторские эксперименты с двумерным материалом» принесли выпускникам МФТИ Андре Гейму и Косте Новоселову Нобелевскую премию по физике 2010 года.

С тех пор, как графен открыл совершенно новый мир двумерных материалов, было обнаружено более 100 его кузенов. Их интригующие свойства ведут к применению в самых разных областях: от биомедицины и электроники до аэрокосмической промышленности. Эти материалы относятся к классу слоистых кристаллов, слои которых слабо связаны друг с другом, но имеют сильную внутреннюю целостность. Например, графит в карандаше – это, по существу, много сложенных слоев графена, связанных так слабо, что Гейм и Новоселов лихо использовали липкую ленту, чтобы их отслоить.

Тем не менее, многие материалы, такие как металлы золото, серебро и медь, не имеют слоистой структуры. Тем не менее, они теоретически могут формировать 2D-слои, которые были бы необходимы для гибкой и прозрачной электроники: складные дисплеи, электронная бумага и электронная одежда, линзы со встроенной электроникой и т. Д. Среди возможных применений есть даже ультратонкие электроды, которые позволят нейронные интерфейсы с потенциалом для решения медицинских проблем и, в конечном итоге, интеграции нервной системы живого существа с электронными устройствами.

До недавнего времени единственная технология нанесения металлических пленок на произвольные поверхности давала слои, которые были недостаточно тонкими. Он включает термическое испарение трехмерного металлического образца в высоком вакууме. Испаренные металлические частицы затем прилипают к подложке на основе кремния, образуя наноразмерные островки, которые постепенно растут, в конечном итоге закрывая промежутки между ними. Этот процесс дает относительно однородные пленки только к тому времени, когда они имеют толщину 20 нанометров. Тем не менее, инженерам нужны прозрачные пленки, а это значит, что они должны быть в два раза тоньше. Прекращение осаждения ранее также невозможно, поскольку пленки по-прежнему имеют слишком много зазоров и неоднородностей (см. Нижнее правое изображение на рисунке 2), что ухудшает их электропроводность. Точно так же металлическая сетка является худшим проводником по сравнению с листом металла.

Исследователи из Московского физико-технического института начали с предположения, что 2D-металлы могут быть нанесены на другие 2D-материалы. Графен был первым кандидатом, но золото показало плохое смачивание к нему. В результате золото было депонировано в форме столбов. Этот вертикальный способ роста делал проблематичным закрытие промежутков в фильме. Хотя осаждение золота на графене представляет интерес для других применений, таких как спектроскопия комбинационного рассеяния с поверхностным усилением, полученные таким образом пленки толщиной менее 10 нанометров не проводят электричество.

Команда продолжала исследовать рост металлической пленки на 2D дихалькогенидах переходных металлов. В частности, был использован дисульфид молибдена, поскольку известно, что соединения серы являются одними из немногих, которые образуют стабильные связи с золотом.

«У нас уже давно есть эта идея. Однако многие технологии для работы с 2D материалами еще находятся в разработке. Не все из них широко доступны », – объяснил Юрий Стебунов один из ведущих авторов статьи. «Для этого исследования потребовались значительные ресурсы, как человеческие, так и материальные. Именно благодаря получению гранта в рамках президентской программы мы могли бы претворить в жизнь наши идеи ».

Рис. 1. Метод, использованный в исследовании: золото (Au) наносится на монослой дисульфида молибдена (MoS₂), который опирается на кремниевую (Si) подложку с окисленным слоем, обозначенным SiO₂; «Разрыв vdW» обозначает разрыв Ван-дер-Ваальса. Предоставлено: Пресс-служба МФТИ

.

Исследователи МФТИ использовали термическое испарение в высоком вакууме для нанесения тонких пленок золота на кремниевую подложку, покрытую диоксидом кремния и монослоем дисульфида молибдена (рис. 1). Команда использовала электронную и атомно-силовую микроскопию для сравнения структуры этих золотых пленок различной толщины с аналогичными пленками, выращенными на чистом диоксиде кремния, то есть без монослоя дисульфида молибдена (рис. 2). Добавленная поверхность раздела 2D материала привела к образованию сплошных пленок золота с превосходной электропроводностью при меньшей толщине, всего 3-4 нанометра.

Поскольку фотонные и оптоэлектронные устройства являются ключевым приложением таких квазидвумерных металлических пленок, физики изучили оптические свойства их образцов с помощью спектральной эллипсометрии, впервые представив оптические постоянные для ультратонких пленок золота.

Рис. 2. Пленки золота (Au) различной толщины – указаны в нанометрах (нм) – нанесены на традиционно используемую подложку из диоксида кремния (SiO внизу ряд) и монослой дисульфида молибдена (MoS верхний ряд), как видно с помощью электронного микроскопа. Изображение предоставлено исследователями

Старший автор статьи, профессор Валентин Волков из Университета Южной Дании, который также возглавляет Лабораторию нанооптики и плазмоники в МФТИ, прокомментировал: «Любой исследователь может использовать наши данные для моделирования фотонные или оптоэлектронные устройства или даже искусственные материалы, также известные как метаматериалы. В конце концов, предложенная нами технология может помочь в разработке таких материалов и устройств ».

Один добавленный слой дисульфида молибдена позволил получить рекордно тонкие и гладкие металлические пленки. Команда подчеркивает универсальную применимость их техники: монослой может быть нанесен на произвольную поверхность с любыми свойствами для получения ультратонкого, ультратонкого металлического пленочного покрытия. Такие квазидвумерные металлические слои могут быть интегрированы в многослойные «сэндвичевые» структуры, включающие различные 2D материалы. Известные как гетероструктуры Ван-дер-Ваальса, они могут содержать различные «ингредиенты», включая полупроводники, диэлектрики, полуметаллы, а теперь и металлы.

Соавтор исследования, Алексей Арсенин возглавляющий Центр фотоники и 2D-материалов в МФТИ, добавил: «Мы ожидаем, что это только начало квази-2D наука о металле Некоторое время назад эти материалы были недоступны даже ученым. С нашей технологией мы можем говорить о перспективах, которые они имеют для гибкой и прозрачной электроники. Надеюсь, мы скоро увидим его в производстве ».

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда.

Оригинальная исследовательская работа: Д.И. Якубовский Ю.В. Стебунов Р.В. Киртаев Г.А. Ермолаев М.С. Миронов С.М. Новиков А.В. Арсенин В.С. Волков Ультратонкие и ультратонкие пленки золота на монослое MoS 2 Advanced Materials Interfaces doi: 10.1002 / admi.201900196 (2019).

Источник: https://mipt.ru/english/

Source link