Металлический аналог графена выковали на сапфировой наковальне
Вдохновленные древними техниками, ученые разработали универсальную технологию раскатывания практически любых металлов с невысокой температурой плавления в двумерные листы, подобные графену — и столь же странные. Метод назвали сжатием Ван-дер-Ваальса и рассказали о нем в Nature.
Нанокузница
Своими свойствами двумерные материалы разительно отличаются от обычных объемных с той же химической формулой. Например, графен механически прочнее и лучше проводит тепло и электричество, чем графит в карандашах. С момента его первых исследований в 2004 году было получено множество атомарно тонких материалов. Однако большинство из них, включая графен, делают путем отслаивания листов от слоистого кристаллического сырья.
«Как книгу, вы можете взять одну страницу и сделать двумерный лист», — сравнил Гуаньюй Чжан, изучающий наноматериалы в Китайской академии наук.
Металлы не имеют такой слоистой структуры, и когда ученые пытаются придать им форму ультратонких листов, большинство из них оказываются нестабильными. Тем не менее, некоторый прогресс в этом направлении достигнут: золото, например, удалось выделить в виде чешуек толщиной в сотни нанометров (голден). Разрабатываются методики осаждения паров металлов на подложку атомарными слоями. Но результаты непрактичны — атомы металла стремятся собираться в наночастицы, а ультратонкие листы окисляются на воздухе.
Чжан вдохновился на разработку новой техники, посмотрев видео о ковке меди, которую нагревают в печи и раскатывают в листы молотом на наковальне.
На перенос этой концепции в наномасштабы ушло семь лет. Самой большой сложностью оказался поиск материала для изготовления достаточно гладкой нанонаковальни. В итоге исследователи выбрали сапфир, который очень тверд, и покрыли его дисульфидом молибдена MoS2, чтобы сделать максимально ровной.
Чтобы выковать ультратонкий лист, нагревали каплю металла между такими наковальнями, сжимали их, пока она остывала, и вынимали получившийся «сэндвич» MoS2–металл–MoS2 из устройства, как панини из пресса.
Удивительные сэндвичи
Используя эту технику, ученые сумели получить металлические листы в атом толщиной и шириной около 100–200 микрометров — достаточно большой для такого форм-фактора.
Для изучения электрических свойств «атомные сэндвичи» охлаждали до сверхнизких температур, чтобы MoS2 стал изолятором и не влиял на измерения.
Эксперименты начали с висмута, потому что теория предсказывает, что одноатомная толщина наделит его уникальными свойствами, полезными для использования в микроэлектронике. Так и оказалось: проводимость ультратонкого висмута в 10 раз лучше, чем у объемного, кроме того, он продемонстрировал сильную реакцию на электрическое поле, благодаря чему может применяться в транзисторах.
Что дальше
Чтобы 2D-металлы обрели хоть какую-то практическую перспективу, предстоит преодолеть множество препятствий, предупредил инженер-электрик Эрик Поп из Стэнфордского университета в Калифорнии. Например, надо добиться их устойчивости при высоких температурах, необходимых для производства чипов.
«Тем не менее, интересно, что металлы могут существовать в таком виде», — признал он.
Хотя Чжан вдохновлялся ковкой меди, раскатать ее в ультратонкие листы не удалось — слишком велика температура плавления для сапфировой наковальни. Ковать менее тугоплавкие галлий, индий, свинец и олово куда проще. Сейчас ученые работают над новой конструкцией, которая, как они надеются, позволит расширить метод для работы с металлами с температурой плавления выше 500 °C.
