I ricercatori del Centro MIPT per la fotonica e i materiali 2-D hanno sintetizzato un film d'oro quasi 2-D, rivelando come materiali solitamente non classificati come bidimensionali possano formare strati atomicamente sottili. Pubblicato in Interfacce materiali avanzati , lo studio mostra che utilizzando il bisolfuro di molibdeno monostrato come strato di adesione, l'oro quasi-2-D può essere depositato su una superficie arbitraria. Il team afferma che i risultanti film d'oro ultrasottili, che sono spesse solo alcuni nanometri, conducono molto bene l'elettricità e sono utili per l'elettronica flessibile e trasparente. La scoperta potrebbe contribuire a una nuova classe di metamateriali ottici con il potenziale unico di controllare la luce.

Il primo materiale 2-D scoperto, il grafene è un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un atomo in una formazione a nido d'ape. La sua sintesi e lo studio delle sue proprietà eccitanti hanno dato origine a un campo della scienza e della tecnologia completamente nuovo. Gli esperimenti innovativi sul grafene sono valsi ai laureati del MIPT Andre Geim e Kostya Novoselov il Premio Nobel 2010 per la fisica.

Da allora, sono stati scoperti più di 100 cugini di grafene. Le loro proprietà intriganti hanno avuto applicazioni in biomedicina, l'elettronica e l'industria aerospaziale. Questi materiali appartengono alla classe dei cristalli stratificati i cui strati sono debolmente legati l'uno all'altro ma hanno una forte integrità interna. Per esempio, la grafite in una matita è essenzialmente molti strati impilati di grafene legati così debolmente che Geim e Novoselov hanno usato notoriamente del nastro adesivo per staccarli.

Però, molti materiali, come l'oro, d'argento, e rame, non hanno una struttura a strati. Ancora, potrebbero teoricamente formare strati 2-D, che sarebbe indispensabile per un'elettronica flessibile e trasparente. Tra le possibili applicazioni ci sono anche elettrodi ultrasottili che consentirebbero interfacce neurali potenzialmente in grado di risolvere problemi medici, ed eventualmente integrare il sistema nervoso di un essere vivente con dispositivi elettronici.

Fino a poco tempo fa, l'unica tecnologia per depositare pellicole metalliche su superfici arbitrarie ha prodotto strati non abbastanza sottili. Si tratta di evaporare termicamente un campione di metallo 3-D in alto vuoto. Le particelle metalliche evaporate aderiscono quindi a un substrato a base di silicio, formando isole nanometriche, che gradualmente crescono, eventualmente colmare le distanze tra loro. Questo processo produce film relativamente omogenei solo quando raggiungono uno spessore di 20 nanometri. Gli ingegneri richiedono pellicole trasparenti, il che significa che devono essere più di due volte più sottili. Anche fermare la deposizione prima non è un'opzione, perché i film hanno ancora troppe lacune e disomogeneità (vedi l'immagine in basso a destra nella figura 2), compromettendo la loro conduttività elettrica. Allo stesso modo, una rete metallica è un conduttore peggiore rispetto a una lamiera.

I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca hanno iniziato ipotizzando che i metalli 2-D potrebbero essere depositati su altri materiali 2-D. Il grafene è stato il primo candidato, ma l'oro mostrava una scarsa bagnabilità. Di conseguenza, l'oro era depositato sotto forma di pilastri. Questa modalità di crescita verticale ha reso problematico chiudere le lacune nel film. Sebbene la deposizione di oro su grafene sia interessante per altre applicazioni, come la spettroscopia Raman potenziata in superficie, i film sub-10 nanometri così ottenuti non conducono elettricità.

Il team ha continuato a studiare la crescita del film metallico su dicalcogenuri di metalli di transizione 2-D. Nello specifico, è stato utilizzato bisolfuro di molibdeno, perché è noto che i composti dello zolfo sono tra i pochissimi a formare legami stabili con l'oro.

"Abbiamo avuto questa idea per un po' di tempo. Tuttavia, molte delle tecnologie per lavorare con i materiali 2D sono ancora in fase di sviluppo. Non tutti sono ampiamente disponibili, " ha spiegato Yury Stebunov, uno dei principali autori dell'articolo. "Questo studio ha richiesto notevoli risorse, sia umano che materiale. È assicurandoci una sovvenzione nell'ambito del programma presidenziale che potremmo mettere in pratica le nostre idee".

I ricercatori del MIPT hanno utilizzato l'evaporazione termica in alto vuoto per depositare sottili film d'oro su un substrato di silicio ricoperto di biossido di silicio e un monostrato di bisolfuro di molibdeno (figura 1). Il team ha impiegato la microscopia elettronica e a forza atomica per confrontare la struttura di questi film d'oro a vari spessori con film analoghi cresciuti su biossido di silicio puro, ovvero, senza il monostrato di bisolfuro di molibdeno (figura 2). L'interfaccia materiale 2-D aggiunta ha prodotto pellicole d'oro continue con una conduttività elettrica superiore con uno spessore inferiore di soli 3-4 nanometri.

Poiché i dispositivi fotonici e optoelettronici sono un'applicazione chiave di tali film metallici quasi-2-D, i fisici hanno studiato le proprietà ottiche dei loro campioni tramite ellissometria spettrale, riportando per la prima volta le costanti ottiche per film d'oro ultrasottili.

L'autore senior del documento, professore Valentyn Volkov dell'Università della Danimarca meridionale, che dirige anche il Laboratorio di Nanoottica e Plasmonica al MIPT, ha commentato:"Qualsiasi ricercatore può utilizzare i nostri dati per modellare dispositivi fotonici o optoelettronici o anche i materiali artificiali noti come metamateriali. Alla fine, la tecnologia che abbiamo proposto può aiutare a progettare tali materiali e dispositivi."

Un singolo strato aggiunto di bisolfuro di molibdeno ha permesso di ottenere film metallici sottili e lisci da record. Il team sottolinea l'applicabilità universale della loro tecnica:il monostrato può essere depositato su una superficie arbitraria con qualsiasi proprietà per produrre un ultrasottile, rivestimento in film metallico ultra liscio. Tali strati metallici quasi-2-D possono essere integrati in strutture "sandwich" multistrato che incorporano vari materiali 2-D. Conosciute come eterostrutture di van der Waals, potrebbero contenere diversi "ingredienti, "compresi i semiconduttori, dielettrici, semimetalli, e, d'ora in poi, metalli, pure.

Un coautore dello studio, Aleksey Arsenin, che dirige il Centro per la fotonica e i materiali 2-D al MIPT, ha aggiunto:"Ci aspettiamo che questo sia solo l'inizio della scienza dei metalli quasi 2-D. Qualche tempo fa, questi materiali erano inaccessibili anche agli scienziati. Con la nostra tecnologia, possiamo parlare delle prospettive che hanno per un'elettronica flessibile e trasparente. Auspicabilmente, lo vedremo presto in produzione."