基于grahene的新平台为各种新应用打开了大门

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2D金属为通往新的科学形象开辟了道路

宾夕法尼亚州立大学的研究人员与劳伦斯·伯克利国家实验室和橡树岭国家实验室一起,开发了一种原子薄材料平台,该平台可以在生物分子传感,量子现象,催化和非线性光学方面实现一系列新应用。

单原子金属层被石墨烯层覆盖,从而允许具有独特性能的新型层状材料。图片:熊义煌/宾夕法尼亚州立大学

“我们利用对一种特殊类型的石墨烯(称为外延石墨烯)的理解来稳定原子形式的薄金属的独特形式,”《自然材料》杂志的博士候选人兼合著者纳塔莉·布里格斯说。“有趣的是,这些原子上稀薄的金属稳定化了与散装形式完全不同的结构,因此与散装金属相比,具有非常有趣的性能。”

传统上,当金属暴露于空气中时,它们会迅速开始氧化,即生锈。在短短的一秒钟内,金属表面就会形成会破坏金属性能的防锈层。对于2D金属,这将是整个层。如果要通过传统合成方法将金属与其他2D材料结合,则合成过程中的化学反应会破坏金属和分层材料的性能。为了避免这些反应,该团队采用了一种在创建2D金属时用单层石墨烯自动覆盖2D金属的方法。

研究人员从将碳化硅加热到高温开始。硅离开表面,剩余的碳重构为外延石墨烯。重要的是,如果石墨烯/碳化硅界面可以进入该界面,则该石墨烯/碳化硅界面仅是部分稳定的并且几乎可以被几乎任何元素钝化。

该小组通过使用氧等离子体在石墨烯中戳洞来提供这种访问,然后在高温下将纯金属粉末蒸发到表面上。金属原子通过石墨烯中的孔迁移到石墨烯/碳化硅界面,从而形成碳化硅,金属和石墨烯的夹心结构。生成2D金属的过程称为约束异质外延或CHet。


约书亚·罗宾逊(Joshua Robinson)表示:“由于金属的局限性,我们将其称为CHet,因为它外延-原子排列在碳化硅中,这是我们在这些系统中看到的独特性能的重要方面。” ,宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程高级作者兼副教授。

“在本文中,重点是金属的基本特性,这些基本特性将使一组新的研究主题成为现实,”罗宾逊说。“这表明我们能够开发适用于各种热门话题的新颖2D材料系统,例如量子,其中石墨烯是关键环节,使我们能够考虑组合通常无法组合形成的非常不同的材料超导或光子量子位的基础。”

他们研究的下一步将涉及证明这些层状材料的超导,感测,光学和催化特性。除了创建独特的2D金属之外,该团队还将继续使用CHet探索新的2D半导体材料,这将是电子行业在硅以外的未来电子领域中的兴趣所在。


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