Получено двумерное золото

Разработана технология получения сверхтонких металлических плёнок толщиной в несколько атомов.

Двумерными материалами называют плёнки толщиной в один атом. Они находят применение в различных областях науки и техники: от биомедицины до электроники. Получить такую плёнку из вещества, которое имеет слоистую структуру, достаточно просто. В слоистых кристаллах атомы слоя сильно связаны между собой, а связь между слоями– слабая. Это позволяет легко отделить слой толщиной в один атом.

Первым двумерным материалом был графен – слой графита толщиной в один атом углерода, за открытие и исследование свойств которого выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новосёлов были удостоены Нобелевской премии по физике за 2010 год. Графит легко расслаивается, благодаря чему, например, пишут карандаши. Поэтому Гейм и Новосёлов сумели отделить слой графена, просто наклеив клейкую ленту на графитовый кристалл.

Сейчас известно уже более сотни двумерных материалов. Все они представляют собой слоистые кристаллы. Но что делать, если кристаллы материала не обладают слоистой структурой? В этом случае можно попытаться сделать квазидвумерную (то есть почти двумерную) плёнку толщиной в несколько атомов.

Есть множество неслоистых материалов, квазидвумерные пленки которых очень пригодились бы, например, в оптоэлектронике и гибкой электронике – в складывающихся дисплеях, электронной бумаге и одежде, линзах со встроенной электроникой, а также в нейроинтерфейсах, способных решить ряд медицинских проблем и приблизить нас к интеграции нервной системы с электронными устройствами.

Материалом для таких электродов могло бы стать золото или серебро, однако они не слоистые, и до настоящего времени отсутствовали технологии получения ультратонких металлических пленок на произвольных поверхностях.

Исследователи из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали способ получения очень тонких качественных плёнок толщиной несколько нанометров из неслоистых материалов и продемонстрировали его на примере золота.

Отделить слой металла с помощью клейкой ленты не выйдет. Каждый легко может убедиться в этом сам. Для получения плёнок металл нагреванием испаряют в высоком вакууме, а затем он осаждается на подложку. Атомы металла собираются на её поверхности в наночастицы разных размеров, которые постепенно растут, соединяясь друг с другом. В результате тонкая плёнка получается неоднородной и с пустотами, которые заполняются по мере осаждения металла.

Таким методом достаточно однородные пленки удается получать только с толщиной около 20 нанометров, но их нельзя считать прозрачными. Плёнки меньшей толщины из-за наличия неоднородностей и пустот обладают малой проводимостью, то есть теряют необходимые свойства. Это аналогично тому, что металлическая сетка хуже проводит электрический ток по сравнению со сплошным металлическим листом. Поэтому перед исследователями стояла задача добиться высокой проводимости металлических пленок при толщине менее 10 нанометров.

Физики МФТИ предположили, что двумерные металлы можно получить на поверхности других двумерных материалов. Один из основных авторов исследования Юрий Стебунов заметил, что эта идея возникла у них давно, но для данной работы требовались значительные ресурсы — как людские, так и материальные. В рамках президентской программы под этот проект им удалось выиграть грант, благодаря чему и удалось реализовать идеи на практике.

Первым делом они попробовали графен, но оказалось, что он почти не смачивается металлом. Более того, он подчас приводит к росту наночастиц вверх в виде столбов. При этом пустоты между ними заполняются с большим трудом. Такие металлические пленки интересны для ряда приложений, например, в спектроскопии, но они при малой толщине не проводят электрический ток. Поэтому в дальнейшем в качестве двумерных материалов для подложки рассматривались соединения металлов с элементами 16-й группы (кислород, сера и др.), в частности, дисульфид молибдена (MoS₂). Известно, что золото трудно вступает во взаимодействие практически со всеми веществами, но с соединениями серы оно может образовывать прочные химические связи.

В своей работе исследователи сравнили структуру и свойства золотых пленок разной толщины, выращенных на чистой подложке и на подложке с монослоем MoS₂. Наличие слоя двумерного материала позволило получить сплошные пленки золота с хорошей электрической проводимостью при толщине всего 3–4 нанометра. Заметим, что размер атома золота около 0,3 нанометра.

Этим пленкам по своим характеристикам уступают значительно более толстые пленки золота, полученные без использования двумерного материала. Добавление всего одного слоя дисульфида молибдена позволило получить рекордно тонкие и гладкие металлические пленки. Исследователи подчеркивают универсальность метода: монослой можно нанести на любую поверхность независимо от ее свойств. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Material Interfaces.

Квазидвумерные металлы позволят создать новые виды метаматериалов, уникальный потенциал которых в управлении светом поможет создать самые неожиданные технологии. Будут создаваться и многослойные «бутерброды» из различных двумерных материалов. Комбинируя разные монослои, можно получать новые материалы с неожиданными свойствами. Среди возможных «ингредиентов» есть полупроводники, диэлектрики, полуметаллы, а теперь к ним добавлены и металлы.

Поскольку одним из ключевых применений таких квазидвумерных плёнок служит фотоника и оптоэлектроника, исследователи детально изучили их оптические свойства и впервые представили значения оптических констант для таких ультратонких пленок золота.