С момента открытия графена в 2004 году исследования двумерных (2D) материалов стремительно развивались. Это открыло новые горизонты как в фундаментальной науке, так и в технологических разработках. Хотя известно около 2000 различных 2D-материалов, создание стабильных, атомарно тонких **2D металлов** оставалось серьезной проблемой. Недавно ученым удалось разработать новый метод, названный “сжатием ван-дер-Ваальса” (vdW squeezing), который позволяет создавать такие ультратонкие металлические слои. Этот прорыв открывает путь к разработке передовых устройств и новым фундаментальным открытиям в материаловедении.
Сложности создания 2D металлов
В отличие от графена (полуметалл) или других стабильных 2D-материалов, таких как полупроводники и диэлектрики, изолированные монослои металлов крайне нестабильны. Атомы металлов имеют сильную тенденцию к слипанию, образуя трехмерные наночастицы или пленки вместо однородного двумерного слоя. Потому попытки создать стабильные, изолированные 2D-слои чистых металлов долгое время не увенчивались успехом. Эта нестабильность мешала исследовать уникальные свойства, которые могли бы проявиться у металлов в двумерной форме.
Прорывной метод: Сжатие ван-дер-Ваальса
Исследовательская группа из Корейского ведущего научно-технического института (KAIST) предложила и успешно реализовала инновационный подход, также известный как конфайнментная гетероэпитаксия (CHet). Этот метод использует силы Ван-дер-Ваальса для “сжатия” атомов металла между двумя другими 2D-материалами.
Как это работает?
Процесс выглядит следующим образом:
- На подложку из карбида кремния (SiC) наносится слой графена.
- Затем на эту конструкцию испаряются атомы нужного металла.
- Графен действует как гибкая, но прочная “крышка”. Он пропускает атомы металла под себя благодаря наличию наноразмерных пор или дефектов.
- Оказавшись между графеном и подложкой SiC, атомы металла оказываются в ограниченном пространстве. Силы Ван-дер-Ваальса со стороны графена и подложки “сплющивают” металлические атомы, заставляя их формировать стабильный, атомарно тонкий двумерный слой.
Этот метод эффективно подавляет тенденцию атомов металла к слипанию в 3D-структуры. В итоге формируется стабильная 2D-пленка.
Успешные результаты
Используя метод vdW-сжатия, ученые смогли впервые создать стабильные, ультратонкие (толщиной всего в несколько атомов) слои следующих металлов:
- Галлий (Ga)
- Индий (In)
- Олово (Sn)
- Свинец (Pb)
- Висмут (Bi)
Структура и свойства полученных пленок были подтверждены с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и расчетов по теории функционала плотности (DFT). Эксперименты показали, что созданные 2D-металлы обладают уникальными электронными свойствами, отличающимися от их объемных аналогов.
Значение открытия и будущие перспективы
Успешное создание стабильных **2D металлов** является значительным достижением в области материаловедения. Оно открывает широкие возможности для исследований:
Фундаментальная наука
Появление атомарно тонких металлов позволяет изучать квантовые явления в условиях сильного пространственного ограничения. Это может привести к открытию новых экзотических фаз материи, исследованию сверхпроводимости и топологических свойств в двумерных системах.
Технологические применения
Стабильные **2D металлы** могут найти применение в самых разных областях:
- Электроника: Создание ультратонких и гибких проводящих слоев для передовых электронных устройств.
- Катализ: Высокая площадь поверхности и уникальные электронные свойства делают их перспективными катализаторами для химических реакций.
- Сенсоры: Возможность создания высокочувствительных сенсоров благодаря сильной реакции на внешние воздействия.
Новый метод vdW-сжатия универсален и потенциально может быть применен для создания двумерных форм и других металлов или даже сплавов. Это открывает дверь в новую эру исследований и разработок, выходящих за рамки графена и традиционных 2D-материалов. Ожидается, что дальнейшие работы в этом направлении приведут к новым удивительным открытиям и технологическим прорывам.
Добавить комментарий