Ученые из лаборатории Эймса Пэт Тиль и Майкл Трингидес — исследователи на этом фронте, открывая уникальные свойства двумерных (2D) материалов и металлов, выращенных на графене, графите и других поверхностях с углеродным покрытием.
«Наша работа — своего рода чудо, если ученые могут говорить о чудесах», — сказал Трингидес, который также является профессором физики в Университете штата Айова. «Всего несколько десятилетий назад никто бы не поверил, что мы можем видеть отдельные атомы, но наши возможности теперь не только позволяют нам видеть их, но и манипулировать ими, как ребенок, строящий из кубиков Lego®. Мы можем создавать эти материалы снизу вверх, такие, которых никогда не было бы в природе."
Они создаются в контролируемых лабораторных условиях в условиях сверхвысокого вакуума и исследуются с помощью сканирующей туннельной микроскопии.
После нагрева подложки до высокой температуры удаляются все загрязнения и дефекты. Подложка охлаждается, и интересующие атомы осаждаются один за другим из специально разработанных источников.
Регулируя температуру и скорость осаждения, исследователи ищут условия, подобные Златовласке: атомы движутся не слишком быстро и не слишком медленно, поэтому образуется действительно двухмерный материал.
В то время как их исследовательские группы создают различные поверхностные материалы в своей работе, все методы изготовления имеют одну общую черту: попытка ограничить сборку атомов в 2D-плоскости. Это сложно, потому что это противоречит тому, что атомы, естественно, хотят делать в большинстве условий, — собираться в трех измерениях.
«Атомы по своей природе хаотичны; мы боремся с этой случайностью во всем, что делаем», — сказал Трингидес. «В нашей работе атомы точно расположены на высокореактивной поверхности в вакууме. Каждый аспект окружающей среды контролируется. Наша работа состоит в том, чтобы изготавливать очень маленькие, очень чистые и очень совершенные. Работа с материалами в наномасштабе требует этого."
Изучение того, как ведут себя эти материалы, имеет первостепенное значение. Поскольку все 2D-материалы представляют собой поверхность без объема, им можно приписать множество уникальных наноразмерных свойств — химических, магнитных, электронных, оптических и тепловых.
«Существует свод правил для свойств объемных или трехмерных материалов, и он содержит большие фрагменты, которые общепризнаны и приняты», — сказал Тиль, физик-химик, материаловед и заслуженный профессор Университета штата Айова. "Но свод правил для 2D-материалов по большей части не написан. Мы многого не знаем. У нас много сюрпризов, а потом мы должны их объяснить."
Написание сводов правил поведения этих материалов — только первый шаг к более широкой цели; создание настраиваемых материалов, которые могут быть потенциально полезны во множестве технических приложений, включая сверхбыструю микроэлектронику, катализ и спинтронику.
Это причина того, что исследования Тиля и Трингидеса были сосредоточены на выращивании металлов на двумерных подложках в течение последних четырех лет, что превратило их в одну из сильных сторон исследований материалов лаборатории Эймса.
По словам Трингидеса, графен привлек большое внимание как в научных исследованиях, так и в технической индустрии, потому что электроны очень быстро перемещаются по его поверхности. Но для создания функциональных устройств необходимы узоры металлических контактов нанометрового размера на его поверхности, специально разработанные для желаемой функции.
«Какой бы материал мы ни пытались создать, однородность поверхности является ключом к функциональному устройству, и именно здесь наше« идеальное »исследование помогает. Это совершенство заставляет нас замедляться, но это компромисс », — сказал Трингидес. «Если мы сможем получить полное представление о том, как эти контакты могут быть произведены в идеальных условиях в контролируемой среде, то эти методы могут быть оптимизированы в конечном итоге для коммерческого производства и использования."
Последний успех Тиля и Трингидеса — внедрение диспрозия в слои графита. Интеркаляция — введение материала в соединения со слоистой структурой. Это настоящая проблема с графитом, поскольку его чисто двумерная поверхность приводит к образованию «гладких» слоев без хорошего способа образования связей между ними.
"Это похоже на стопку одеял на кровати", — сказал Тиль. "Сами одеяла конструктивно прочны, но два одеяла, сложенные друг на друга, скользят, соскальзывают с кровати и легко снимаются слоями.«Но команда недавно обнаружила условия, при которых они могут создавать различные типы интеркалированных систем металла и графита, соединяя эти скользящие одеяла материала вместе в двух измерениях. Это новый многообещающий способ формирования тонкого покрытия из металла, защищенного углеродной пленкой, и может открыть путь к материалам с уникальными магнитными или каталитическими свойствами.
С такой узкой и строго контролируемой экспериментальной направленностью в фундаментальной науке может возникнуть соблазн предположить, что их исследования, как и их эксперименты, происходят в вакууме. Но Тиль считает, что успех науки о поверхности в лаборатории Эймса является результатом тесного сотрудничества различных исследовательских групп. «Лаборатория Эймса — плодородная среда для экспериментов по науке о поверхности, потому что у нас есть возможность напрямую сотрудничать со многими учеными в различных областях знаний, решающих одну и ту же проблему с другой точки зрения», — сказал Тиль, включая специалистов по материалам фотонной запрещенной зоны и оптической физике. , теория и изготовление материалов. «Хотя эта модель сотрудничества была принята другими учреждениями и сейчас является нормой, тесный размер Ames Lab и культура сообщества действительно положили начало всему, и наши достижения в области науки о поверхности значительно выиграли от этого."