Вчені вперше створили надтонкі двовимірні метали

06 квітня 2025 р. 18:24

06 квітня 2025 р. 18:24

Новий метод під назвою VdW стиснення дозволяє створювати стабільні, атомарно тонкі двовимірні метали, відкриваючи двері для передових пристроїв і фундаментальних відкриттів у матеріалознавстві. З моменту відкриття графену в 2004 році дослідження двовимірних (2D) матеріалів швидко просунулися вперед, відкриваючи нові кордони як у фундаментальній науці, так і в технологічному розвитку. Хоча майже 2000 2D-матеріалів було теоретично передбачено і сотні успішно синтезовано в лабораторіях, переважна більшість обмежується шаруватими кристалами Ван-дер-Ваальса (vdW).

Головною метою в цій галузі була розробка атомарно тонких двовимірних металів, які б значно розширили сферу використання 2D матеріалів за межі структур VdW. Ці надтонкі метали можуть також відкривати нові фізичні явища та створювати нові архітектури пристроїв. Незважаючи на значні зусилля в останні роки, виробництво високоякісних двовимірних металів великої площі в атомному масштабі залишається серйозною проблемою.

Прорив завдяки стисканню vdW

Однак тепер дослідники з Інституту фізики (IOP) Академії наук Китаю розробили зручну, універсальну виробничу техніку на атомному рівні, яка називається стисненням VdW, для виробництва 2D-металів на межі ангстремної товщини. Це дослідження нещодавно було опубліковано в Nature . Технологія виробництва передбачає плавлення та стиснення чистих металів між двома жорсткими ковадлами VdW під високим тиском. За допомогою цього методу дослідники виготовили різноманітні атомарно тонкі двовимірні метали, включаючи Bi (~6,3 Å), Sn (~5,8 Å), Pb (~7,5 Å), In (~8,4 Å) і Ga (~9,2 Å).

Стабільність і продуктивність двовимірних металів

Ковадла VdW складаються з двох монокристалічних моношарів MoS2, епітаксіально вирощених на сапфірі. Ковадла необхідні для виробництва двовимірних металів з двох причин. По-перше, атомарно плоска поверхня без звисаючих зв’язків моношару MoS2/сапфір забезпечує рівномірну двовимірну товщину металу у великому масштабі. По-друге, високий модуль Юнга як для сапфіра, так і для моношару MoS2 (> 300 ГПа) дозволяє їм витримувати екстремальний тиск, дозволяючи двовимірним металам, утвореним між двома ковадлами, наближатися до граничної товщини в ангстремах.

Двовимірні метали, синтезовані за допомогою цього процесу, були стабілізовані шляхом повної інкапсуляції між двома моношарами MoS2, що робило їх екологічно стабільними та забезпечувало незв’язані межі. Ця структура полегшила виготовлення пристроїв, дозволивши отримати доступ до їхніх внутрішніх транспортних властивостей, які раніше були недоступні. Електричні та спектроскопічні вимірювання моношару Bi виявили відмінні фізичні властивості, включаючи значно підвищену електропровідність, сильний ефект поля з поведінкою p-типу, велику нелінійну провідність Холла та нові фононні моди. Джерело

Атомна точність і майбутні застосування

Цей метод виробництва VdW на атомарному рівні не тільки пропонує універсальний підхід до реалізації різних двовимірних металів, але також може контролювати товщину двовимірних металів з атомарною точністю (тобто моношар, двошаровість або тришаровість) шляхом контролю тиску стискання. Цей метод пропонує надзвичайні можливості для виявлення екзотичних залежних від шарів властивостей двовимірних металів — те, що раніше було неможливо.

Професор Guangyu Zhang з IOP, автор-кореспондент дослідження, сказав, що метод стискання VdW пропонує ефективний метод на атомному рівні для виробництва 2D металевих сплавів, а також аморфних та інших 2D сполук, не пов’язаних з VdW. Він також зазначив, що цей метод окреслює «яскраве бачення» для широкого спектру нових квантових, електронних і фотонних пристроїв. Він підкреслив, що є «багато можливостей» для розвитку цієї нової галузі досліджень у майбутньому.

Технології