Une plate-forme de matériaux atomiquement minces développée par des chercheurs de Penn State en collaboration avec Lawrence Berkeley National Lab et Oak Ridge National Lab ouvrira un large éventail de nouvelles applications dans la détection biomoléculaire, phénomènes quantiques, catalyse et optique non linéaire.

"Nous avons tiré parti de notre compréhension d'un type spécial de graphène, le graphène épitaxié surnommé, pour stabiliser des formes uniques de métaux atomiquement minces, " a déclaré Natalie Briggs, un doctorant et co-auteur principal sur un article dans la revue Matériaux naturels . "De façon intéressante, ces métaux atomiquement minces se stabilisent dans des structures complètement différentes de leurs versions massives, et ont donc des propriétés très intéressantes par rapport à ce que l'on attend des métaux en vrac."

Traditionnellement, lorsque les métaux sont exposés à l'air, ils commencent rapidement à s'oxyder — rouille. En moins d'une seconde, les surfaces métalliques peuvent former une couche de rouille qui détruirait les propriétés métalliques. Dans le cas d'un métal 2D, ce serait la couche entière. Si vous deviez combiner un métal avec d'autres matériaux 2D via des procédés de synthèse traditionnels, les réactions chimiques lors de la synthèse ruineraient les propriétés à la fois du métal et du matériau en couches. Pour éviter ces réactions, l'équipe a exploité une méthode qui recouvre automatiquement le métal 2D avec une seule couche de graphène tout en créant le métal 2D.

Les chercheurs partent du carbure de silicium qu'ils chauffent à haute température. Le silicium quitte la surface, et le carbone restant se reconstruit en graphène épitaxié. Surtout, l'interface graphène/carbure de silicium n'est que partiellement stable et est facilement passivée par presque tous les éléments, si l'élément a accès à cette interface.

L'équipe fournit cet accès en perçant des trous dans le graphène avec un plasma d'oxygène, puis ils évaporent des poudres métalliques pures sur la surface à haute température. Les atomes métalliques migrent à travers les trous du graphène vers l'interface graphène/carbure de silicium, créer une structure sandwich en carbure de silicium, métal et graphène. Le processus de création des métaux 2-D est appelé hétéroépitaxie de confinement, ou CHet.

"Nous l'appelons CHet en raison de la nature confinée du métal, et le fait qu'il soit épitaxié - les atomes s'alignent tous - sur le carbure de silicium, un aspect important des propriétés uniques que nous voyons dans ces systèmes, " a noté Joshua Robinson, auteur principal et professeur agrégé de science et ingénierie des matériaux, État de Penn.

"Dans ce document, l'accent est mis sur les propriétés fondamentales des métaux qui vont permettre un nouvel ensemble de sujets de recherche, " a déclaré Robinson. " Cela montre que nous sommes capables de développer de nouveaux systèmes de matériaux 2D qui sont applicables dans une variété de sujets d'actualité tels que quantique, où le graphène est un maillon clé qui nous permet de penser à combiner des matériaux très différents qui ne pourraient normalement pas être combinés pour former la base des qubits supraconducteurs ou photoniques."

Les prochaines étapes de leurs études consisteront à prouver le supraconducteur, sentir, propriétés optiques et catalytiques de ces matériaux stratifiés. Au-delà de la création de métaux 2D uniques, l'équipe continue d'explorer de nouveaux matériaux semi-conducteurs 2D avec CHet qui pourraient intéresser l'industrie électronique dans l'électronique future au-delà du silicium.

Parmi les autres auteurs de Penn State figurent un ancien doctorant du groupe Robinson et co-auteur principal Brian Bersch, doctorant Yuanxi Wang, et les professeurs Cui-Zu Chang, Jun Zhu, Adri van Duin et Vincent Crespi.

Les Matériaux naturels le document est "Métaux de demi-van der Waals atomiquement minces via l'hétéroépitaxie de confinement".