С момента открытия графена в 2004 году исследования двумерных (2D) материалов стремительно развивались. На сегодняшний день теоретически предсказано почти 2000 двумерных материалов, сотни из которых уже созданы в лабораториях. Однако большинство существующих 2D материалов ограничены слоистыми кристаллами с ван-дер-ваальсовыми (vdW) связями, что существенно сужает спектр их возможных применений.
Ученые давно стремились разработать атомарно тонкие двумерные металлы, выходящие за рамки традиционных vdW слоистых структур. Предыдущие попытки не позволяли получить крупноразмерные, бездефектные 2D металлы атомарной толщины. Однако недавно исследователи из Института физики Китайской академии наук совершили прорыв, разработав новую технику под названием «ван-дер-ваальсово сжатие» для производства двумерных металлов. Результаты их работы опубликованы в престижном научном журнале Nature.
Метод ван-дер-ваальсова сжатия заключается в плавлении и сжатии чистых металлов между двумя жесткими vdW «наковальнями» под высоким давлением. В качестве наковален используются два монослоя кристаллического дисульфида молибдена (MoS₂), эпитаксиально выращенных на сапфире. Эти наковальни обладают двумя ключевыми преимуществами: атомарно плоская поверхность без свободных связей обеспечивает равномерную толщину получаемого 2D металла, а высокий модуль Юнга (более 300 ГПа) позволяет им выдерживать экстремальные давления.
Используя этот инновационный метод, ученым удалось создать различные атомарно тонкие двумерные металлы: висмут (Bi) толщиной около 6,3 Å, олово (Sn) – 5,8 Å, свинец (Pb) – 7,5 Å, индий (In) – 8,4 Å и галлий (Ga) – 9,2 Å. Стабилизация этих 2D металлов достигалась путем полной инкапсуляции между двумя монослоями MoS₂, что делало их устойчивыми к воздействию окружающей среды благодаря несвязанным интерфейсам.
Особенно впечатляющие результаты показал монослой висмута, демонстрирующий значительно улучшенную электрическую проводимость, сильный полевой эффект с p-типом поведения, большую нелинейную проводимость Холла и новые фононные моды. Эти свойства открывают широкие перспективы для применения в электронике и фотонике.
Одним из главных преимуществ разработанного метода является возможность контролировать толщину создаваемых структур с атомарной точностью, формируя монослои, бислои или трислои металлов. Это позволяет изучать экзотические свойства 2D металлов, зависящие от количества слоев.
Профессор Чжан Гуанъюй, соответствующий автор исследования, отмечает, что данная техника может использоваться для производства 2D металлических сплавов, аморфных и других 2D соединений, не ограниченных ван-дер-ваальсовыми структурами. «Это создает новые возможности для квантовых, электронных и фотонных устройств и представляет собой новую область исследований со значительным потенциалом роста», — подчеркивает профессор Чжан.
Открытие метода ван-дер-ваальсова сжатия знаменует важный шаг в развитии науки о двумерных материалах, расширяя границы возможного и открывая путь к созданию принципиально новых устройств с уникальными свойствами.
Изображение носит иллюстративный характер
Ученые давно стремились разработать атомарно тонкие двумерные металлы, выходящие за рамки традиционных vdW слоистых структур. Предыдущие попытки не позволяли получить крупноразмерные, бездефектные 2D металлы атомарной толщины. Однако недавно исследователи из Института физики Китайской академии наук совершили прорыв, разработав новую технику под названием «ван-дер-ваальсово сжатие» для производства двумерных металлов. Результаты их работы опубликованы в престижном научном журнале Nature.
Метод ван-дер-ваальсова сжатия заключается в плавлении и сжатии чистых металлов между двумя жесткими vdW «наковальнями» под высоким давлением. В качестве наковален используются два монослоя кристаллического дисульфида молибдена (MoS₂), эпитаксиально выращенных на сапфире. Эти наковальни обладают двумя ключевыми преимуществами: атомарно плоская поверхность без свободных связей обеспечивает равномерную толщину получаемого 2D металла, а высокий модуль Юнга (более 300 ГПа) позволяет им выдерживать экстремальные давления.
Используя этот инновационный метод, ученым удалось создать различные атомарно тонкие двумерные металлы: висмут (Bi) толщиной около 6,3 Å, олово (Sn) – 5,8 Å, свинец (Pb) – 7,5 Å, индий (In) – 8,4 Å и галлий (Ga) – 9,2 Å. Стабилизация этих 2D металлов достигалась путем полной инкапсуляции между двумя монослоями MoS₂, что делало их устойчивыми к воздействию окружающей среды благодаря несвязанным интерфейсам.
Особенно впечатляющие результаты показал монослой висмута, демонстрирующий значительно улучшенную электрическую проводимость, сильный полевой эффект с p-типом поведения, большую нелинейную проводимость Холла и новые фононные моды. Эти свойства открывают широкие перспективы для применения в электронике и фотонике.
Одним из главных преимуществ разработанного метода является возможность контролировать толщину создаваемых структур с атомарной точностью, формируя монослои, бислои или трислои металлов. Это позволяет изучать экзотические свойства 2D металлов, зависящие от количества слоев.
Профессор Чжан Гуанъюй, соответствующий автор исследования, отмечает, что данная техника может использоваться для производства 2D металлических сплавов, аморфных и других 2D соединений, не ограниченных ван-дер-ваальсовыми структурами. «Это создает новые возможности для квантовых, электронных и фотонных устройств и представляет собой новую область исследований со значительным потенциалом роста», — подчеркивает профессор Чжан.
Открытие метода ван-дер-ваальсова сжатия знаменует важный шаг в развитии науки о двумерных материалах, расширяя границы возможного и открывая путь к созданию принципиально новых устройств с уникальными свойствами.
