Dans le cadre d'une collaboration entre le laboratoire Ames du département américain de l'Énergie et la Northeastern University, les scientifiques ont développé un modèle pour prédire la forme des nanocristaux ou « îlots » métalliques pris en sandwich entre ou sous des matériaux bidimensionnels (2-D) tels que le graphène. Cette avancée rapproche les matériaux quantiques 2D des applications en électronique.

Les scientifiques du laboratoire Ames sont des experts en matériaux 2D, et a récemment découvert une combinaison unique de cuivre et de graphite, produit en déposant du cuivre sur du graphite bombardé d'ions à haute température et dans un environnement à ultra-vide. Cela a produit une distribution d'îles de cuivre, noyé sous une "couverture" ultra-mince constituée de quelques couches de graphène.

« Parce que ces îlots métalliques peuvent potentiellement servir de contacts électriques ou de dissipateurs de chaleur dans les applications électroniques, leur forme et la manière dont ils atteignent cette forme sont des informations importantes pour contrôler la conception et la synthèse de ces matériaux, " a déclaré Pat Thiel, un scientifique du laboratoire Ames et professeur émérite de chimie et de science et ingénierie des matériaux à l'Iowa State University.

Les scientifiques du laboratoire Ames ont utilisé la microscopie à effet tunnel pour mesurer minutieusement les formes de plus d'une centaine d'îlots de cuivre à l'échelle nanométrique. Cela a fourni la base expérimentale d'un modèle théorique développé conjointement par des chercheurs du département de génie mécanique et industriel de la Northeastern University et du laboratoire Ames. Le modèle a servi à expliquer les données extrêmement bien. La seule exception, concernant les îles de cuivre de moins de 10 nm de hauteur, servira de base à d'autres recherches.

"Nous aimons voir notre physique appliquée, et c'était une belle façon de l'appliquer, " a déclaré Scott E. Julien, doctorat candidat, au Nord-Est. « Nous avons pu modéliser la réponse élastique du graphène lorsqu'il se drape sur les îles de cuivre, et l'utiliser pour prédire les formes des îles."

Les travaux ont montré que la couche supérieure de graphène résiste à la pression ascendante exercée par l'îlot métallique en croissance. En effet, la couche de graphène se comprime vers le bas et aplatit les îlots de cuivre. La prise en compte de ces effets ainsi que d'autres éléments énergétiques clés conduit à la prédiction imprévue d'un universel, ou indépendant de la taille, forme des îles, au moins pour des îlots suffisamment grands d'un métal donné.

"Ce principe devrait également fonctionner avec d'autres métaux et d'autres matériaux en couches, " a déclaré l'assistant de recherche, Ann Lii-Rosales. « À titre expérimental, nous voulons voir si nous pouvons utiliser la même recette pour synthétiser des métaux sous d'autres types de matériaux en couches avec des résultats prévisibles. »

La recherche est discutée plus en détail dans l'article "Squeezed Nanocrystals:Equilibrium Configuration of Metal Clusters Embedded Beneath the Surface of a Layered Material, " Publié dans Nanoéchelle .

La recherche était une collaboration entre le laboratoire Ames et la Northeastern University.