研究突破獲得準(zhǔn)二維金，來(lái)自MIPT光子學(xué)和二維材料中心的研究人員合成了一種準(zhǔn)二維金薄膜，揭示了通常不被歸類(lèi)為二維材料是如何形成原子薄層。

這項(xiàng)發(fā)表在《先進(jìn)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(zhǔn)二維金。由此產(chǎn)生的超薄金薄膜只有幾納米厚，導(dǎo)電性能非常好，對(duì)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(kāi)發(fā)一類(lèi)具有獨(dú)特控制光的新型光學(xué)超材料。

石墨烯是第一個(gè)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(gè)全新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。關(guān)于石墨烯的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)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(xué)獎(jiǎng)。從那時(shí)起，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了100多種類(lèi)似石墨烯的物質(zhì)。它們有趣的特性在生物醫(yī)學(xué)、電子和航空航天工業(yè)中得到了應(yīng)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(qiáng)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(méi)有分層結(jié)構(gòu)。不過(guò)，理論上它們可以形成二維層，這對(duì)于柔性和透明的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)必不可少。在可能的應(yīng)用中，甚至有超薄電極，它將使神經(jīng)接口具有解決醫(yī)學(xué)問(wèn)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(zhǎng)大，最終閉合了之間的縫隙。只有當(dāng)薄膜達(dá)到20納米厚時(shí)，這個(gè)過(guò)程才會(huì)產(chǎn)生相對(duì)均勻的薄膜。工程師需要透明薄膜，這意味著他們需要超過(guò)兩倍的厚度。提前停止沉積也不是一種選擇，因?yàn)楸∧と匀挥刑嗟拈g隙和不均勻性，影響了它們的電導(dǎo)率。同樣，金屬網(wǎng)與金屬片相比是一種較差的導(dǎo)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(gè)候選材料，但金對(duì)它的潤(rùn)濕性較差。結(jié)果，黃金以柱子的形式沉積下來(lái)。這種垂直的生長(zhǎng)方式使膠片上的縫隙無(wú)法閉合。雖然石墨烯上的金沉積對(duì)于其他應(yīng)用來(lái)說(shuō)很有趣，比如表面增強(qiáng)拉曼光譜，但是用這種方法得到的亞10納米薄膜不導(dǎo)電。研究小組繼續(xù)研究了二維過(guò)渡金屬雙鹵代烷的金屬薄膜生長(zhǎng)。具體來(lái)說(shuō)，二硫化鉬被使用，因?yàn)榱蚧衔锸且阎臉O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(shuō)：我們有這個(gè)想法已經(jīng)有一段時(shí)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(xiàng)研究需要大量的人力和物力資源。只有在總統(tǒng)項(xiàng)目下獲得撥款，才能把我們的想法付諸實(shí)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(tuán)隊(duì)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(lèi)似的電影生長(zhǎng)在純硅，沒(méi)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(dǎo)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(zhǔn)二維金屬薄膜的關(guān)鍵應(yīng)用，物理學(xué)家們通過(guò)光譜橢圓偏振法研究了樣品的光學(xué)性質(zhì)，首次報(bào)道了超薄金薄膜的光學(xué)常數(shù)。該論文的資深作者，南丹麥大學(xué)的瓦倫丁·沃爾科夫教授，同時(shí)也是MIPT納米光學(xué)和等離子體實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人說(shuō)：任何研究人員都可以使用我們的數(shù)據(jù)來(lái)建模光子或光電設(shè)備，甚至是被稱(chēng)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(jì)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(tuán)隊(duì)強(qiáng)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(xì)的金屬薄膜涂層。這種準(zhǔn)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(chēng)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(dǎo)體、介質(zhì)、半金屬，以及從現(xiàn)在開(kāi)始的金屬。該研究的合作者之一，MIPT光子學(xué)和二維材料中心主任Aleksey Arsenin說(shuō)：預(yù)計(jì)這僅僅是準(zhǔn)二維金屬科學(xué)的開(kāi)始。不久以前，這些材料甚至連科學(xué)家都無(wú)法獲得。有了這樣的新技術(shù)，就可以談?wù)撍鼈儗?duì)柔性和透明電子產(chǎn)品的前景。

博科園｜研究/來(lái)自：莫斯科物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

參考期刊《先進(jìn)材料界面》

DOI: 10.1002/admi.201900196

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