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研究突破獲得準二維金，來自MIPT光子學和二維材料中心的研究人員合成了一種準二維金薄膜，揭示了通常不被歸類為二維材料是如何形成原子薄層。這項發(fā)表在《先進材料界面》上的研究表明，利用單層二硫化鉬作為粘接層，可以在任意表面沉積準二維金。由此產(chǎn)生的超薄金薄膜只有幾納米厚，導電性能非常好，對柔性和透明的電子產(chǎn)品非常有用。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于開發(fā)一類具有獨特控制光的新型光學超材料。 石墨烯是第一個被發(fā)現(xiàn)的二維材料，它是一種單原子厚的碳原子片，呈蜂窩狀。成功合成及其令人興奮的性質(zhì)，研究已經(jīng)產(chǎn)生了一個全新的科學技術(shù)領(lǐng)域。關(guān)于石墨烯的開創(chuàng)性實驗為MIPT的畢業(yè)生安德烈·海姆(Andre Geim)和克斯特亞·諾沃塞洛夫(Kostya Novoselov)贏得了諾貝爾物理學獎。從那時起，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了100多種類似石墨烯的物質(zhì)。它們有趣的特性在生物醫(yī)學、電子和航空航天工業(yè)中得到了應用。這些材料屬于層狀晶體，它們的層間相互束縛較弱，但具有較強的內(nèi)部完整性。
例如，鉛筆里的石墨本質(zhì)上是許多堆疊在一起的石墨烯層，它們的結(jié)合是如此之弱，以至于海姆和諾沃塞洛夫著名地使用膠帶將它們剝離。然而，許多材料，如金、銀和銅，并沒有分層結(jié)構(gòu)。不過，理論上它們可以形成二維層，這對于柔性和透明的電子產(chǎn)品來說必不可少。在可能的應用中，甚至有超薄電極，它將使神經(jīng)接口具有解決醫(yī)學問題的潛力，并最終將生物的神經(jīng)系統(tǒng)與電子設(shè)備集成在一起。在任意表面沉積金屬薄膜的唯一技術(shù)產(chǎn)生層還不夠薄。它包括在高真空下熱蒸發(fā)三維金屬樣品。 蒸發(fā)后的金屬顆粒粘附在硅基基底上，形成納米尺寸的島嶼，島嶼逐漸長大，最終閉合了之間的縫隙。只有當薄膜達到20納米厚時，這個過程才會產(chǎn)生相對均勻的薄膜。工程師需要透明薄膜，這意味著他們需要超過兩倍的厚度。提前停止沉積也不是一種選擇，因為薄膜仍然有太多的間隙和不均勻性，影響了它們的電導率。同樣，金屬網(wǎng)與金屬片相比是一種較差的導體。莫斯科物理與技術(shù)研究所的研究人員首先假設(shè)二維金屬可以沉積在其他二維材料上。
石墨烯是第一個候選材料，但金對它的潤濕性較差。結(jié)果，黃金以柱子的形式沉積下來。這種垂直的生長方式使膠片上的縫隙無法閉合。雖然石墨烯上的金沉積對于其他應用來說很有趣，比如表面增強拉曼光譜，但是用這種方法得到的亞10納米薄膜不導電。研究小組繼續(xù)研究了二維過渡金屬雙鹵代烷的金屬薄膜生長。具體來說，二硫化鉬被使用，因為硫化合物是已知的極少數(shù)與金形成穩(wěn)定鍵的化合物之一。該論文的主要作者之一尤里·斯特布諾夫(Yury Stebunov)說：我們有這個想法已經(jīng)有一段時間了。 然而，許多處理二維材料的技術(shù)仍在發(fā)展中。并不是所有的都可以廣泛使用，這項研究需要大量的人力和物力資源。只有在總統(tǒng)項目下獲得撥款，才能把我們的想法付諸實踐。初期，研究人員使用在高真空熱蒸發(fā)沉積薄黃金電影與二氧化硅和硅襯底上的單層二硫化鉬。團隊使用電子和原子力顯微鏡比較這些黃金的影片在不同厚度的結(jié)構(gòu)類似的電影生長在純硅，沒有二硫化鉬單分子層。添加的二維材料界面可以在厚度僅為3-4納米的情況下形成導電性能優(yōu)異的連續(xù)金膜。
由于光子和光電器件是這種準二維金屬薄膜的關(guān)鍵應用，物理學家們通過光譜橢圓偏振法研究了樣品的光學性質(zhì)，首次報道了超薄金薄膜的光學常數(shù)。該論文的資深作者，南丹麥大學的瓦倫丁·沃爾科夫教授，同時也是MIPT納米光學和等離子體實驗室的負責人說：任何研究人員都可以使用我們的數(shù)據(jù)來建模光子或光電設(shè)備，甚至是被稱為超材料的人工材料。最終，我們提出的技術(shù)可以幫助設(shè)計這樣的材料和設(shè)備。添加一層二硫化鉬使薄而光滑的金屬薄膜成為可能。該團隊強調(diào)了技術(shù)的普遍適用性： 單層膜可以沉積在任何性質(zhì)的任意表面，從而產(chǎn)生超薄、超細的金屬薄膜涂層。這種準二維金屬層可以集成到多層三維結(jié)構(gòu)中，其中包含各種二維材料。它們被稱為范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可能具有不同的“成分”，包括半導體、介質(zhì)、半金屬，以及從現(xiàn)在開始的金屬。該研究的合作者之一，MIPT光子學和二維材料中心主任Aleksey Arsenin說：預計這僅僅是準二維金屬科學的開始。不久以前，這些材料甚至連科學家都無法獲得。有了這樣的新技術(shù)，就可以談論它們對柔性和透明電子產(chǎn)品的前景。
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