Les matériaux bidimensionnels sont un peu un concept hallucinant. Les humains vivent dans un monde en trois dimensions, après tout, où tout ce qui est observé dans notre monde naturel a de la hauteur, largeur, et profondeur. Et pourtant, lorsque le graphène, un matériau de carbone unique dans sa forme vraiment plate, dimension d'un atome-a été produit pour la première fois en 2004, le concept époustouflant est devenu une réalité et une frontière inexplorée dans la science des matériaux.

Les scientifiques du laboratoire Ames Pat Thiel et Michael Tringides sont des explorateurs sur cette frontière, découvrir les propriétés uniques des matériaux et des métaux bidimensionnels (2-D) cultivés sur du graphène, graphite, et d'autres surfaces revêtues de carbone.

"Notre travail est un peu un miracle, si les scientifiques peuvent parler de miracles, " dit Tringides, qui est également professeur de physique à l'Iowa State University. « Il y a seulement quelques décennies, personne n'aurait cru que nous pouvions voir des atomes individuels, mais nos capacités maintenant nous permettent non seulement de les voir, mais les manipuler, comme un enfant qui construit avec des briques Lego. Nous sommes capables de créer ces matériaux de bas en haut, ceux qui ne pourraient jamais se produire dans la nature."

Ils sont créés dans un environnement de laboratoire contrôlé, dans un environnement à ultra-vide, et étudié à l'aide de la microscopie à effet tunnel. Après avoir chauffé le substrat à haute température, toutes les impuretés et tous les défauts sont éliminés. Le substrat est refroidi et les atomes d'intérêt sont déposés un à un à partir de sources spécialement conçues. En ajustant la température et le taux de dépôt, les chercheurs recherchent la condition de type Boucle d'or :les atomes se déplacent ni trop vite ni trop lentement, donc un matériau vraiment 2-D se forme.

Alors que leurs groupes de recherche créent une variété de matériaux de surface dans leur travail, les méthodes de fabrication ont toutes un point commun :tenter de confiner l'assemblage des atomes au plan 2D. C'est difficile, parce que c'est contraire à ce que les atomes veulent naturellement faire dans la plupart des conditions, à assembler en trois dimensions.

« Les atomes sont chaotiques par nature ; nous combattons ce caractère aléatoire dans tout ce que nous faisons, " dit Tringides. " Dans notre travail, les atomes sont précisément disposés sur une surface hautement réactive dans le vide. Chaque aspect de l'environnement est contrôlé. Notre travail est de fabriquer de très petits, très propre, et très parfait. Travailler sur des matériaux à l'échelle nanométrique l'exige."

Apprendre comment ces matériaux se comportent est primordial. Parce que les matériaux 2-D sont tous en surface sans encombrement, une foule de propriétés nanométriques uniques - chimiques, magnétique, électronique, optique, et thermique — peut leur être attribué.

"Il y a un livre de règles pour les propriétés du vrac, ou matériaux tridimensionnels, et il contient de gros morceaux qui sont universellement compris et acceptés, " dit Thiel, un physico-chimiste, scientifique des matériaux, et professeur émérite à l'Iowa State University. "Mais le livre de règles pour les matériaux 2D est en grande partie non écrit. Il y a beaucoup de choses que nous ne savons pas. Nous avons beaucoup de surprises, et puis nous devons les expliquer."

L'écriture du livre de règles sur le comportement de ces matériaux n'est que la première étape d'un objectif plus large; créer des matériaux accordables qui pourraient être potentiellement utiles dans une multitude d'applications technologiques, dont la microélectronique ultrarapide, catalyse, et la spintronique.

C'est la raison pour laquelle les recherches de Thiel et Tringides se sont concentrées sur la croissance de métaux sur des substrats 2D au cours des quatre dernières années, ce qui en fait une force majeure de la recherche sur les matériaux du Laboratoire Ames.

Le graphène a suscité beaucoup d'enthousiasme dans la recherche scientifique et l'industrie technologique, car les électrons se déplacent très rapidement le long de sa surface, expliqua Tringides. Mais pour créer des appareils fonctionnels, il nécessite des motifs de contacts métalliques de taille nanométrique sur sa surface, conçu spécifiquement pour une fonction souhaitée.

"Quel que soit le matériel que nous essayons de créer, l'uniformité de la surface est la clé d'un appareil fonctionnel, et c'est là qu'intervient notre recherche "parfaite". Cette perfection nous ralentit, mais c'est un compromis, " a déclaré Tringides. " Si nous pouvons acquérir une compréhension approfondie de la façon dont ces contacts peuvent être produits dans des conditions idéales dans un environnement contrôlé, alors ces méthodes peuvent être optimisées à terme pour la production et l'utilisation commerciales."

Le succès le plus récent de Thiel et Tringides est l'intercalation de dysprosium sur des couches de graphite. L'intercalation est l'introduction d'un matériau dans des composés avec des structures en couches. C'est un vrai défi avec le graphite, puisque sa surface purement 2-D donne des couches "glissantes" sans bon moyen de former des liaisons entre elles.

"C'est comme une pile de couvertures sur un lit, " dit Thiel. " Les couvertures elles-mêmes sont structurellement solides, mais deux couvertures empilées l'une sur l'autre glissent, glisser du lit, et se décollent facilement en couches. » Mais l'équipe a récemment découvert les conditions dans lesquelles ils peuvent créer différents types de systèmes intercalés de métal et de graphite, lier ces couvertures coulissantes de matériau ensemble de manière bidimensionnelle. C'est une nouvelle façon prometteuse de former une fine couche d'un métal protégé par une peau de carbone, et pourrait ouvrir la voie à des matériaux aux propriétés magnétiques ou catalytiques uniques.

Avec un objectif expérimental si étroitement ciblé et hautement contrôlé en science fondamentale, il pourrait être tentant de supposer que leurs recherches, comme leurs expériences, se déroule dans le vide. Mais Thiel attribue le succès de la science des surfaces au laboratoire Ames à l'étroite collaboration de groupes de recherche variés. "Le laboratoire Ames est un environnement fertile pour les expériences scientifiques de surface car nous avons la possibilité de collaborer directement avec de nombreux scientifiques dans divers domaines d'expertise abordant le même problème d'un point de vue différent, " dit Thiel, including specialists in photonic band gap materials, optical physics, theory, and materials fabrication. "While that collaboration model has been adopted by other institutions and is the norm now, Ames Lab's intimate size and community culture really started it all, and our achievements in surface science have benefited greatly from it."