Una piattaforma di materiali atomicamente sottili sviluppata dai ricercatori della Penn State in collaborazione con il Lawrence Berkeley National Lab e l'Oak Ridge National Lab aprirà una vasta gamma di nuove applicazioni nel rilevamento biomolecolare, fenomeni quantistici, catalisi e ottica non lineare.

"Abbiamo sfruttato la nostra comprensione di un tipo speciale di grafene, soprannominato grafene epitassiale, per stabilizzare forme uniche di metalli atomicamente sottili, "ha detto Natalie Briggs, un dottorando e co-autore di un articolo sulla rivista Materiali della natura . "Interessante, questi metalli atomicamente sottili si stabilizzano in strutture completamente diverse dalle loro versioni sfuse, e quindi hanno proprietà molto interessanti rispetto a quanto previsto nei metalli sfusi."

Tradizionalmente, quando i metalli sono esposti all'aria, iniziano rapidamente a ossidarsi, a ruggine. In meno di un secondo, le superfici metalliche possono formare uno strato di ruggine che distruggerebbe le proprietà metalliche. Nel caso di un metallo 2-D, questo sarebbe l'intero livello. Se dovessi combinare un metallo con altri materiali 2-D tramite processi di sintesi tradizionali, le reazioni chimiche durante la sintesi rovinerebbero le proprietà sia del metallo che del materiale stratificato. Per evitare queste reazioni, il team ha sfruttato un metodo che copre automaticamente il metallo 2-D con un singolo strato di grafene durante la creazione del metallo 2-D.

I ricercatori iniziano con il carburo di silicio che riscaldano ad alta temperatura. Il silicio lascia la superficie, e il carbonio rimanente si ricostruisce in grafene epitassiale. È importante sottolineare che l'interfaccia grafene/carburo di silicio è solo parzialmente stabile ed è facilmente passivata da quasi tutti gli elementi, se l'elemento ha accesso a questa interfaccia.

Il team fornisce questo accesso praticando fori nel grafene con un plasma di ossigeno, e poi fanno evaporare polveri metalliche pure sulla superficie ad alte temperature. Gli atomi di metallo migrano attraverso i fori nel grafene all'interfaccia grafene/carburo di silicio, creando una struttura a sandwich di carburo di silicio, metallo e grafene. Il processo per creare i metalli 2-D è chiamato eteroepitassia di confinamento, o CHet.

"Lo chiamiamo CHet a causa della natura ristretta del metallo, e il fatto che sia epitassiale - gli atomi sono tutti allineati - al carburo di silicio, un aspetto importante per le proprietà uniche che vediamo in questi sistemi, " ha osservato Joshua Robinson, autore senior e professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, Penn State.

"In questo documento, il focus è sulle proprietà fondamentali dei metalli che consentiranno una nuova serie di temi di ricerca, " ha detto Robinson. "Dimostra che siamo in grado di sviluppare nuovi sistemi di materiali 2-D che sono applicabili in una varietà di temi caldi come la quantistica, dove il grafene è un collegamento chiave che ci consente di pensare alla combinazione di materiali molto diversi che normalmente non potrebbero essere combinati per formare la base per i qubit superconduttori o fotonici".

I prossimi passi nei loro studi riguarderanno la prova del superconduttore, rilevamento, proprietà ottiche e catalitiche di questi materiali stratificati. Oltre a creare metalli 2-D unici, il team sta continuando a esplorare nuovi materiali semiconduttori 2-D con CHet che potrebbero essere di interesse per l'industria elettronica nell'elettronica futura oltre il silicio.

Ulteriori autori di Penn State includono l'ex studente di dottorato nel gruppo Robinson e l'autore co-leader Brian Bersch, studente di dottorato Yuanxi Wang, e professori Cui-Zu Chang, Jun Zhu, Adri van Duin e Vincent Crespi.

Il Materiali della natura l'articolo è "Metalli atomicamente sottili a metà van der Waals tramite confinamento eteroepitassia".