I metalli sono generalmente caratterizzati da una buona conduttività elettrica. Ciò vale in particolare per l'oro e l'argento. Però, ricercatori del Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda, insieme ai partner di Pisa e Lund, ora hanno scoperto che alcuni metalli preziosi perdono questa proprietà se sono abbastanza sottili. L'estremo di uno strato spesso solo un atomo si comporta quindi come un semiconduttore. Ciò dimostra ancora una volta che gli elettroni si comportano diversamente nello strato bidimensionale di un materiale rispetto alle strutture tridimensionali. Le nuove proprietà potrebbero potenzialmente portare ad applicazioni, per esempio nella microelettronica e nella tecnologia dei sensori.

Si potrebbe pensare che la foglia d'oro, che ha uno spessore di soli 0,1 µm, in realtà è piuttosto sottile. Lontano da esso. In realtà può essere diverse centinaia di volte più sottile. Per esempio, il gruppo di ricerca di Ulrich Starke e il suo ex studente di dottorato Stiven Forti hanno creato con successo uno strato d'oro dello spessore di un solo atomo. Oro bidimensionale, per così dire.

Starke è a capo della struttura di analisi delle interfacce presso l'Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido di Stoccarda. Il suo team ha lavorato a lungo sul confine tra materiali tridimensionali (voluminosi) e bidimensionali (planari). I ricercatori dello stato solido sono interessati a questa transizione perché è associata a cambiamenti in determinate proprietà dei materiali. Questo è stato precedentemente dimostrato nel carbonio bidimensionale, o grafene. Tra l'altro, i suoi elettroni sono significativamente più mobili e consentono alla conducibilità elettrica di aumentare fino a 30 volte quella della relativa grafite tridimensionale.

Gli atomi d'oro vengono spinti tra grafene e carburo di silicio

Però, per molti metalli, produrre strati di materiale dello spessore di un solo atomo non è un compito facile. "Con i metodi di deposizione classici, atomi d'oro, Per esempio, si aggregherebbe immediatamente in ammassi tridimensionali", spiega Starke. Il suo team sta quindi lavorando con un metodo diverso, l'intercalazione, su cui hanno svolto un lavoro pionieristico circa 10 anni fa. Intercalare significa letteralmente far scivolare qualcosa nel mezzo. Ed è proprio così che funziona. I ricercatori iniziano con un wafer di carburo di silicio. Usando un processo che hanno sviluppato loro stessi, prima convertono la sua superficie in uno strato monoatomico di grafene. "Se vaporizziamo l'oro sublimato su questa disposizione di carburo di silicio-grafene in un vuoto spinto, gli atomi d'oro migrano tra il carburo e il grafene", spiega Forti. L'ex dottorando Max Planck sta ora svolgendo attività di ricerca presso il Center for Nanotechnology Innovation di Pisa. Non è ancora del tutto chiaro come gli spessi atomi d'oro entrino nello spazio interstiziale. Ma questo è chiaro:temperature più elevate favoriscono il processo.

Il team aveva anche applicato la tecnica dell'intercalazione ad altri elementi, compreso germanio, rame, e gadolinio. Ancora, secondo Forti, l'obiettivo principale era l'influenza sulle proprietà del grafene. Nel caso dell'oro, però, si trovò per la prima volta che gli atomi intercalati si disponevano in modo regolare, struttura bidimensionale periodicamente ricorrente, cristallina, lungo la superficie del carburo di silicio. "Se l'intercalazione viene eseguita a 600°C, lo strato di grafene impedisce agli atomi d'oro di agglomerarsi per formare gocce", dice Forti sulla funzione dello strato di carbonio nella struttura a sandwich.

Uno strato d'oro composto da soli due strati atomici conduce come un metallo

La riuscita preparazione dello strato d'oro dello spessore di un atomo è stato solo il primo passo. Successivamente, i materiali estremamente sottili e le loro possibili caratteristiche speciali sono diventati interessanti per i ricercatori. Potrebbero effettivamente dimostrare che lo strato estremamente sottile d'oro sviluppa le proprie proprietà elettroniche e di semiconduttore. Per fare un confronto:la conduttività elettrica del voluminoso (cioè dell'oro tridimensionale) è buona quasi quanto quella del rame. Poiché le considerazioni teoriche prevedono un carattere metallico per l'oro puro 2-D, la scoperta dei semiconduttori è stata alquanto sorprendente. "Le interazioni tra gli atomi d'oro e il carburo di silicio o il carbonio di grafene ovviamente giocano ancora un ruolo qui. Questo influenza i livelli di energia degli elettroni", dice Starke.

I semiconduttori sono materiali essenziali nella microelettronica e in altri campi. Per esempio, su di essa si basano elementi di commutazione elettronica come diodi o transistor. Il team di Starke può prevedere alcune tipiche applicazioni dei semiconduttori per il nuovo materiale 2-D. Un secondo strato di atomi d'oro conferisce nuovamente un carattere metallico e quindi influenza la conduttività elettrica. "Variando la quantità di oro sublimato, possiamo controllare strettamente se si formano uno o due strati di oro", spiega Forti.

Sarebbe quindi concepibile utilizzare componenti con strati d'oro alternati a singolo o doppio atomico. Il nuovo metodo di fabbricazione dovrebbe quindi essere opportunamente combinato con i comuni metodi litografici di produzione di trucioli. Per esempio, potrebbero essere prodotti diodi significativamente più piccoli di quelli convenzionali. Secondo Starke, i diversi stati elettronici dell'oro a strato singolo e doppio potrebbero essere utilizzati anche nei sensori ottici.

Effetti elettronici anche nello strato di grafene

Un'altra idea di applicazione deriva dagli effetti causati dall'oro intercalato nello strato di grafene adiacente, che apparentemente dipendono dallo spessore dell'oro. "Uno strato d'oro dello spessore di un atomo provoca un drogaggio n nel grafene. Ciò significa che otteniamo elettroni come portatori di carica", dice Forti. Nei punti in cui l'oro è spesso due strati atomici, accade esattamente il contrario:p-doping. Là, gli elettroni mancanti oi cosiddetti "buchi" caricati positivamente fungono da portatori di carica. L'oro migliora anche l'interazione dei plasmoni (cioè le fluttuazioni nella densità dei portatori di carica) con la radiazione elettromagnetica. "Un strutturato, potrebbe quindi essere utilizzata una disposizione alternata di drogaggio n e p nel grafene. Per esempio, come un array di rivelatori altamente sensibile ma ad alta risoluzione per radiazioni terahertz come quelli utilizzati nelle prove sui materiali, per i controlli di sicurezza negli aeroporti, o per la trasmissione dati senza fili", dice Starke.

Il team di Starke ha già compiuto il passo successivo nella produzione di strati di metalli preziosi bidimensionali. Anche in un esperimento di intercalazione con l'argento, uno strato d'argento bidimensionale rigorosamente cristallino formato tra carburo di silicio e grafene. E per di più:anche questo metallo, che di solito è un conduttore elettrico ancora migliore dell'oro, diventa un semiconduttore quando viene ridotto a due dimensioni. I risultati iniziali indicano che l'energia richiesta per rendere elettricamente conduttivo lo strato d'argento è probabilmente superiore a quella dell'oro 2-D. "Le proprietà dei semiconduttori di un componente realizzato con questo materiale potrebbero quindi essere termicamente più stabili di quelle dell'oro", dice Starke sulle possibili conseguenze pratiche.