Ученые из МФТИ впервые получили квазидвумерный материал из золота. При определенных условиях полученную нанопленку можно осадить на любую поверхность, что позволяет изготавливать из нее гибкую и прозрачную электронику.
У двумерных материалов много преимуществ перед обычными, трехмерными — например, они могут быть прозрачными, а электроны в них распространяться все время в одной плоскости. Это повышает их подвижность в материале, что полезно в электронных устройствах, которые вследствие этого работают быстрее.
Однако на пути синтеза двумерных версий некоторых материалов есть заметное ограничение — например, их можно получать лишь из слоистых кристаллов, для которых характерна слабая связь между слоями и сильная внутри слоя. Поэтому их легко разделить даже с помощью скотча.
К сожалению, не слоистых кристаллов больше, чем слоистых. И хотя золото, серебро и медь отлично подошли бы для создания прозрачных и проводящих электродов для складывающихся дисплеев, электронной бумаги, линз со встроенной электроникой и даже продвинутых электродов для вживления в мозг, на практике сделать из этих металлов настоящий двумерный материал невозможно.
Читайте также: В пределах плоскости и вблизи абсолютного нуля. Физики построили модель плоских изоляторов
В теории сделать сверхтонкую пленку из металла можно — например, если осадить его частицы в вакуумной камере. Однако при толщине осажденного слоя до 20 нанометров в таких пленках слишком много разрывов, поскольку частицы металла, осаждаясь на обычной поверхности, склонны образовывать «комки», между которыми немало зазоров. Это делает их практически бесполезными. Самый тонкий безкомковый слой, который ученые могли получать до недавнего времени, составлял 20 и более нанометров в толщину.
В новой работе ученые из МФТИ решили побить этот рекорд. Для этого физики придумали осаждать золото на подложку из другого двумерного материала, чтобы более «ровная» подложка позволяла получать и более однородную пленку. За основу взяли двумерный дисульфид молибдена (MoS2). Хотя золото очень плохо взаимодействует практически со всеми веществами, но с соединениями серы оно может образовывать прочные химические связи.
Ученые сравнили структуру золотых пленок разной толщины, выращенных на чистой поверхности подложки из SiO2 и поверхности той же подложки из SiO2 с монослоем (слоем толщиной в одну молекул) MoS2. В последнем варианте использование одного подстилающего слоя двумерного материала позволило получить сплошные пленки золота толщиной всего лишь 3–4 нанометра. При этом их проводимость была нормальной, то есть пустот в такой пленке не было.
Авторы работы отмечают, что их метод универсален. Дело в том, что вырастить так золотую пленку можно не только на плоской подложке, но и на любой, куда предварительно нанесут двумерный слой дисульфида молибдена. Подобные квазидвумерные металлические пленки можно интегрировать в многослойные «сэндвичи» из различных двумерных материалов, известных как ван-дер-ваальсовые гетероструктуры.
Раньше в них можно было включать лишь материалы типа полупроводников, диэлектриков и полуметаллов, которые легко получить в тонких пленках без нарушения их традиционных качеств. Поскольку одно из основных качеств металлов в таких структурах — проводимость, то до новой работы интеграция в подобные гетероструктуры именно металлов была невозможна: достаточно проводящие металлические пленки были слишком толстыми. Исследователи полагают, что сходные результаты для других материалов, в том числе для серебра и меди, могут значительно ускорить внедрение гибкой и прозрачной электроники будущего.