Ilustración. Oro casi bidimensional. Crédito:Ella Maru Studio
Investigadores del MIPT Center for Photonics and 2-D Materials han sintetizado una película de oro cuasi-2-D, revelando cómo los materiales que normalmente no se clasifican como bidimensionales pueden formar capas atómicamente delgadas. Publicado en Interfaces de materiales avanzados , el estudio muestra que al usar disulfuro de molibdeno monocapa como capa de adhesión, El oro cuasi-2-D se puede depositar sobre una superficie arbitraria. El equipo dice que las películas de oro ultradelgadas resultantes, que tienen solo varios nanómetros de espesor, Conducen muy bien la electricidad y son útiles para electrónica flexible y transparente. El hallazgo podría contribuir a una nueva clase de metamateriales ópticos con el potencial único de controlar la luz.
El primer material 2-D descubierto, El grafeno es una hoja de átomos de carbono de un átomo de espesor en forma de panal. Su síntesis y el estudio de sus interesantes propiedades han dado lugar a un campo de ciencia y tecnología completamente nuevo. Los experimentos innovadores con respecto al grafeno le valieron a los graduados de MIPT Andre Geim y Kostya Novoselov el Premio Nobel de Física 2010.
Desde entonces, Se han descubierto más de 100 primos del grafeno. Sus intrigantes propiedades tuvieron aplicaciones en biomedicina, electrónica y la industria aeroespacial. Estos materiales pertenecen a la clase de cristales en capas cuyas capas están débilmente unidas entre sí pero tienen una fuerte integridad interna. Por ejemplo, el grafito en un lápiz es esencialmente muchas capas apiladas de grafeno unidas tan débilmente que Geim y Novoselov usaron cinta adhesiva para despegarlas.
Sin embargo, muchos materiales, como el oro, plata, y cobre, no tienen una estructura en capas. Todavía, teóricamente podrían formar capas 2-D, que sería indispensable para una electrónica flexible y transparente. Entre las posibles aplicaciones se encuentran incluso electrodos ultrafinos que permitirían interfaces neuronales con potencial para resolver problemas médicos, y eventualmente integrar el sistema nervioso de un ser vivo con dispositivos electrónicos.
Hasta hace poco, la única tecnología para depositar películas de metal en superficies arbitrarias produjo capas que no eran lo suficientemente delgadas. Implica evaporar térmicamente una muestra de metal 3-D en alto vacío. Las partículas de metal evaporadas luego se adhieren a un sustrato a base de silicio, formando islas de tamaño nanométrico, que poco a poco crecen, eventualmente cerrando las brechas entre ellos. Este proceso produce películas relativamente homogéneas solo cuando tienen 20 nanómetros de espesor. Los ingenieros requieren películas transparentes, lo que significa que deben ser más de dos veces más delgados. Detener la deposición antes tampoco es una opción, porque las películas todavía tienen demasiados espacios y falta de homogeneidad (consulte la imagen inferior derecha en la figura 2), perjudicando su conductividad eléctrica. Similar, una malla de metal es un conductor peor en comparación con una hoja de metal.
Figura 1. El método utilizado en el estudio:El oro (Au) se deposita en una monocapa de disulfuro de molibdeno (MoS₂), que descansa sobre un sustrato de silicio (Si) con una capa oxidada etiquetada como SiO₂; “VdW gap” denota el gap de van der Waals. Crédito:MIPT
Los investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú comenzaron con la hipótesis de que los metales 2-D podrían depositarse en otros materiales 2-D. El grafeno fue el primer candidato, pero el oro exhibió poca humectación. Como resultado, el oro se depositó en forma de pilares. Este modo de crecimiento vertical hizo que cerrar las brechas en la película fuera problemático. Aunque la deposición de oro sobre grafeno es interesante para otras aplicaciones, como la espectroscopia Raman de superficie mejorada, las películas de menos de 10 nanómetros obtenidas de esta manera no conducen electricidad.
El equipo continuó investigando el crecimiento de películas metálicas en dicalcogenuros de metales de transición 2-D. Específicamente, se utilizó disulfuro de molibdeno, porque se sabe que los compuestos de azufre se encuentran entre los pocos que forman enlaces estables con el oro.
"Hemos tenido esa idea durante bastante tiempo. Sin embargo, muchas de las tecnologías para trabajar con materiales 2-D aún están en desarrollo. No todos están ampliamente disponibles, "explicó Yury Stebunov, uno de los autores principales del artículo. "Este estudio requirió recursos sustanciales, tanto humanos como materiales. Al obtener una subvención en el marco del programa presidencial, podríamos poner en práctica nuestras ideas ".
Los investigadores del MIPT utilizaron la evaporación térmica en alto vacío para depositar películas delgadas de oro sobre un sustrato de silicio cubierto con dióxido de silicio y una monocapa de disulfuro de molibdeno (figura 1). El equipo empleó microscopía electrónica y de fuerza atómica para comparar la estructura de estas películas de oro en varios espesores con películas análogas cultivadas en dióxido de silicio puro, es decir, sin la monocapa de disulfuro de molibdeno (figura 2). La interfaz de material 2-D agregada dio como resultado películas de oro continuas con una conductividad eléctrica superior con un espesor menor de solo 3-4 nanómetros.
Dado que los dispositivos fotónicos y optoelectrónicos son una aplicación clave de tales películas metálicas cuasi-2-D, los físicos estudiaron las propiedades ópticas de sus muestras mediante elipsometría espectral, reportando por primera vez las constantes ópticas para películas de oro ultrafinas.
Figura 2. Películas de oro (Au) de espesor variable, indicadas en nanómetros (nm), depositadas sobre el sustrato de dióxido de silicio usado convencionalmente (SiO₂, fila inferior) y una monocapa de disulfuro de molibdeno (MoS₂, fila superior), como se ve con un microscopio electrónico. Crédito:Los investigadores
El autor principal del artículo, el profesor Valentyn Volkov de la Universidad del Sur de Dinamarca, quien también dirige el Laboratorio de Nanoóptica y Plasmónica en MIPT, comentó:"Cualquier investigador puede usar nuestros datos para modelar dispositivos fotónicos u optoelectrónicos o incluso los materiales artificiales conocidos como metamateriales. la tecnología que propusimos puede ayudar a diseñar tales materiales y dispositivos ".
Una sola capa agregada de bisulfuro de molibdeno permitió películas de metal lisas y delgadas como un récord. El equipo enfatiza la aplicabilidad universal de su técnica:la monocapa se puede depositar sobre una superficie arbitraria con cualquier propiedad para producir un ultrafino, Recubrimiento de película metálica ultra suave. Dichas capas de metal cuasi-2-D se pueden integrar en estructuras de "sándwich" multicapa que incorporan varios materiales 2-D. Conocidas como heteroestructuras de van der Waals, pueden incluir diversos "ingredientes, "incluidos los semiconductores, dieléctricos semimetales, y, a partir de ahora, metales, también.
Un coautor del estudio, Aleksey Arsenin, quien dirige el Centro de Fotónica y Materiales 2-D en MIPT, agregó:"Esperamos que esto sea simplemente el comienzo de la ciencia de los metales cuasi-2-D. Hace un tiempo, estos materiales eran inaccesibles incluso para los científicos. Con nuestra tecnología, podemos hablar sobre las perspectivas que tienen para la electrónica flexible y transparente. Ojalá, pronto lo veremos en producción ".
