От высокомерного к двумерному: ученые получили квазидвумерное золото
Ученые из МФТИ на примере золота продемонстрировали, как можно получить квазидвумерные материалы из не относящихся к классу двумерных. Двумерные металлы приближают нас и к появлению нового класса оптических метаматериалов, и самых неожиданных технологий.
Исследователи из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ на примере золота продемонстрировали, как можно получить квазидвумерные материалы из не относящихся к классу двумерных. Квазидвумерное золото может быть осаждено на любую поверхность, если в качестве интерфейса использовать однослойный дисульфид молибдена.
В статье, опубликованной в журнале Advanced Material Interfaces, ученые отмечают превосходную электропроводность ультратонких пленок золота толщиной всего в единицы нанометров и предлагают использовать их для гибкой и прозрачной электроники.
Двумерные металлы приближают нас и к появлению нового класса оптических метаматериалов, уникальный потенциал которых в управлении светом поможет создать самые неожиданные технологии: например, сделает реальной мантию-невидимку Гарри Поттера.
Открытие графена — первого двумерного материала, представляющего собой единичную плоскость графита толщиной в один атом углерода, — а также последующее изучение его удивительных свойств ознаменовало появление новых областей исследований в науке и технике и даже нового мира материалов.
В 2010 году наши соотечественники, выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новоселов, были удостоены Нобелевской премии по физике за передовые исследования графена.
В настоящее время известно уже более сотни двумерных материалов, обладающих интересными свойствами, благодаря которым им находят применение в самых разных сферах — от биомедицины до электроники и аэрокосмоса. Все известные двумерные материалы принадлежат к классу слоистых кристаллов, для которых характерна слабая связь между слоями и сильная — внутри слоя.
Отделить такой слой не так трудно: например, графен от графита отделили при помощи скотча. Однако есть множество неслоистых материалов, и возникает задача получения двумерных слоев из этих материалов.
Например, для различных приложений оптоэлектронике требуются прозрачные и проводящие электроды. Двумерные слои золота, серебра или меди могли бы стать незаменимыми для гибкой и прозрачной электроники (складывающиеся дисплеи, электронная бумага и одежда, линзы со встроенной электроникой и другое), однако они не относятся к классу слоистых, и до настоящего времени отсутствовали технологии получения таких ультратонких металлических пленок на произвольных поверхностях.
Сверхтонкие металлические электроды способны стать технологической основой и для высокоэффективных нейроинтерфейсов, которые могут не только решить ряд медицинских проблем, но и приблизить нас к непосредственной интеграции нервной системы живых организмов с электронными устройствами.
Металлическую пленку отслаиванием с помощью скотча не получить, но ее можно осадить с помощью термического испарения объемного металла в высоком вакууме. Испаряемый металл осаждается на подложку, атомы металла собираются на поверхности в наночастицы, эти частицы при дальнейшем осаждении металла растут, между ними появляются соединения, получается пленка с пустотами, которые в дальнейшем заполняются.
Достаточно однородные пленки высокопроводящих металлов удается получать на толщинах около 20 нанометров, но их нельзя считать прозрачными. Пленки меньшей толщины из-за наличия неоднородностей и пустот характеризуются малой проводимостью, то есть теряются металлические свойства.
Это можно объяснить на примере металлической сетки, которая хуже проводит электрический ток по сравнению со сплошным металлическим листом. Перед учеными стоит задача добиться высокой проводимости металлических пленок на толщинах менее 10 нанометров.
Для примера на рисунке номер 2 продемонстрирована поверхность металлической пленки, осажденной на обычную кремниевую подложку. Видно, что при толщине 9 нм в пленке еще есть заметные пустоты.
Ученые из Московского физико-технического института начали свою работу с гипотезы о том, что двумерные металлы можно получить на поверхности других двумерных материалов.
Первым делом попробовали графен, но оказалось, что он почти не смачивается металлом и при определенных условиях приводит к нехарактерному для металлов росту — практически в виде столбов. При таком механизме наночастицы растут вверх, а пустоты между ними заполняются металлом с большим трудом.
Металлические пленки на графене интересны для ряда приложений — например, для поверхностно усиленной рамановской спектроскопии, — но они не проводят электрический ток на малых толщинах.
В дальнейших исследованиях рассматривалась кинетика роста металлов на двумерных дихалькогенидах переходных металлов и, в частности, на двумерном дисульфиде молибдена. Известно, что золото очень плохо взаимодействует практически со всеми веществами, но с соединениями серы оно может образовывать прочные химические связи.
О ходе работы рассказал Юрий Стебунов, один из основных ее авторов: «Эта идея назрела у нас давно, но технологии работы с двумерными материалами только развиваются, не все они широко доступны.
Для этой работы требовались значительные ресурсы — как людские, так и материальные. В рамках президентской программы под этот проект удалось выиграть грант, и благодаря ему мы реализовали наши идеи на практике».
Так, на кремниевую подложку со слоем диоксида кремния SiO2 и монослоем дисульфида молибдена MoS2 с помощью термического испарения в высоком вакууме осаждались тонкие слои золота (рисунок 1).
По изображениям электронной и атомно-силовой микроскопии ученые сравнили структуру золотых пленок разной толщины, выращенных на чистой поверхности SiO2и поверхности SiO2, с монослоем MoS2 (рисунок 2).
Наличие одного слоя двумерного материала позволило получить сплошные пленки золота с характерной для металлов электрической проводимостью на толщинах всего 3–4 нанометра. Этим пленкам по своим характеристикам уступают значительно более толстые пленки золота, полученные без использования интерфейса из двумерного материала.
Поскольку одним из ключевых применений таких металлических слоев являются фотоника и оптоэлектроника, ученые детально изучили их оптические свойства с помощью спектральной эллипсометрии и впервые представили миру значения оптических констант для таких ультратонких пленок золота.
Валентин Волков, руководитель лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, один из соавторов работы, добавляет: «Любой исследователь может взять наши данные и использовать их для моделирования фотонных или оптоэлектронных устройств и даже искусственных материалов, так называемых метаматериалов. В сочетании с предложенной нами технологией такие материалы и устройства могут быть реализованы на практике».
Добавление всего одного слоя дисульфида молибдена позволило получить рекордно тонкие и гладкие металлические пленки. Ученые подчеркивают универсальность метода: на любую поверхность независимо от ее свойств можно нанести монослой дисульфида молибдена и получить ультратонкую и ультрагладкую пленку металла.
Предполагается, что такие квазидвумерные слои металлов будут интегрированы в многослойные «бутерброды» из различных двумерных материалов, которые имеют название ван-дер-ваальсовых гетероструктур. Комбинируя разные монослои, можно получать новые материалы с неожиданными свойствами. Среди возможных «ингредиентов» есть полупроводники, диэлектрики, полуметаллы, а теперь к ним добавлены и металлы.
Алексей Арсенин, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, один из соавторов работы, заключает: «Мы ожидаем, что в области квазидвумерных металлов все только начинается. Еще вчера они были недоступны даже для ученых.
Сегодня можно говорить о больших перспективах предложенной нами технологии для гибкой и прозрачной электроники. Хотелось бы завтра увидеть ее в производстве, и мы над этим работаем».
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Telegram 
Дзен 
VK Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Ученые синтезировали три новых комплекса металла европия и нашли способ управлять яркостью их свечения (люминесценции). Подобные светящиеся соединения востребованы в биологии и медицине для визуализации тканей и отслеживания распределения лекарств по организму, а также в технике при разработке энергоэффективных дисплеев и светодиодов.
Ученые МИЭМ ВШЭ предложили математическую модель, которая позволяет понять, как взаимодействие между сообществами влияет на их устойчивость. Работа основана на классической теории эволюционных игр и демонстрирует неожиданный эффект: даже небольшое информационное воздействие одного сообщества на другое может привести к тому, что одно из них сохранит внешнюю стабильность, а в другом начнутся хаотические изменения на уровне отдельных участников.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Плавящийся асфальт в США, многие тысячи погибших в Западной Европе, своеобразное лето в России — все это списывают на вредоносный феномен рекордного Эль-Ниньо. И конечно же, на него спихивают и ожидаемый рост цен на кофе и основные сельхозтовары. Правда, есть в этой картине и белые пятна: в прошлые Эль-Ниньо мировые урожаи росли. Что скорее всего случится в 2026 году и отчего роль этого события может быть куда больше, чем мы думаем?
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно