Розроблено технологію отримання надтонких металевих плівок товщиною в кілька атомів.
Почесними матеріалами називають плівки товщиною в один атом. Вони знаходять застосування в різних галузях науки і техніки: від біомедицини до електроніки. Отримати таку плівку з речовини, яка має слоїсту структуру, досить просто. У слоїстих кристалах атоми шару сильно пов'язані між собою, а зв'язок між шарами - слабкий. Це дозволяє легко відокремити шар товщиною в один атом.
Першим почесним матеріалом був графен - шар графіту товщиною в один атом вуглецю, за відкриття і дослідження властивостей якого випускники МФТІ Андрій Гейм і Костянтин Новоселов були удостоєні Нобелівської премії з фізики за 2010 рік. Графіт легко розшаровується, завдяки чому, наприклад, пишуть олівці. Тому Гейм і Новоселов зуміли відокремити шар графена, просто наклеївши клейку стрічку на графітовий кристал.
Зараз відомо вже більше сотні почесних матеріалів. Всі вони являють собою слоїсті кристали. Але що робити, якщо кристали матеріалу не володіють верствистою структурою? У цьому випадку можна спробувати зробити квазідвумерну (тобто майже почесну) плівку товщиною в кілька атомів.
Є безліч неслоїстих матеріалів, квазідвумерні плівки яких дуже знадобилися б, наприклад, в оптоелектроніці і гнучкій електроніці - в дисплеях, електронному папері та одязі, лінзах з вбудованою електронікою, а також в нейроінтерфейсах, здатних вирішити ряд медичних проблем і наблизити нас до інтеграції нервової системи з електронними пристроями.
Матеріалом для таких електродів могло б стати золото або срібло, проте вони не слоїсті, і до теперішнього часу були відсутні технології отримання ультратонких металевих плівок на довільних поверхнях.
Дослідники з Центру фотоніки і почесних матеріалів МФТІ розробили спосіб отримання дуже тонких якісних плівок товщиною кілька нанометрів з неслоїстих матеріалів і продемонстрували його на прикладі золота.
Відокремити шар металу за допомогою клейкої стрічки не вийде. Кожен легко може переконатися в цьому сам. Для отримання плівок метал нагріванням випаровують у високому вакуумі, а потім він осаджується на підкладку. Атоми металу збираються на її поверхні в наночастинки різних розмірів, які поступово ростуть, з'єднуючись один з одним. У результаті тонка плівка виходить неоднорідною і з порожнечами, які заповнюються в міру осадження металу.
Таким методом досить однорідні плівки вдається отримувати тільки з товщиною близько 20 нанометрів, але їх не можна вважати прозорими. Плівки меншої товщини через наявність неоднорідностей і пустот мають малу провідність, тобто втрачають необхідні властивості. Це аналогічно тому, що металева сітка гірше проводить електричний струм порівняно з суцільним металевим листом. Тому перед дослідниками стояло завдання домогтися високої провідності металевих плівок при товщині менше 10 нанометрів.
Фізики МФТІ припустили, що почесні метали можна отримати на поверхні інших почесних матеріалів. Один з основних авторів дослідження Юрій Стебунов зауважив, що ця ідея виникла у них давно, але для даної роботи були потрібні значні ресурси - як людські, так і матеріальні. У рамках президентської програми під цей проект їм вдалося виграти грант, завдяки чому і вдалося реалізувати ідеї на практиці.
Насамперед вони спробували графен, але виявилося, що він майже не змочується металом. Більш того, він часом призводить до зростання наночастинок вгору у вигляді стовпів. При цьому порожнечі між ними заповнюються з великими труднощами. Такі металеві плівки цікаві для ряду додатків, наприклад, у спектроскопії, але вони при малій товщині не проводять електричний струм. Тому в подальшому в якості почесних матеріалів для підкладки розглядалися сполуки металів з елементами 16-ї групи (кисень, сірка та ін.), зокрема, дисульфід молібдену (MoS2). Відомо, що золото важко вступає у взаємодію практично з усіма речовинами, але з сполуками сірки воно може утворювати міцні хімічні зв'язки.
У своїй роботі дослідники порівняли структуру і властивості золотих плівок різної товщини, вирощених на чистій підкладці і на підкладці з моношаром MoS2. Наявність шару почесного матеріалу дозволило отримати суцільні плівки золота з хорошою електричною провідністю при товщині всього 3-4 нанометри. Зауважимо, що розмір атома золота близько 0,3 нанометра.
Цим плівкам за своїми характеристиками поступаються значно товстіші плівки золота, отримані без використання почесного матеріалу. Додавання всього одного шару дисульфіду молібдену дозволило отримати рекордно тонкі і гладкі металеві плівки. Дослідники підкреслюють універсальність методу: моношар можна нанести на будь-яку поверхню незалежно від її властивостей. Результати роботи опубліковані в журналі Advanced Material Interfaces.
Квазідвумерні метали дозволять створити нові види метаматеріалів, унікальний потенціал яких в управлінні світлом допоможе створити найбільш несподівані технології. Будуть створюватися і багатошарові «бутерброди» з різних почесних матеріалів. Комбінуючи різні моношари, можна отримувати нові матеріали з несподіваними властивостями. Серед можливих «інгредієнтів» є напівпровідники, діелектрики, півметали, а тепер до них додані і метали.
Оскільки одним з ключових застосувань таких квазідвумерних плівок служить фотоніка і оптоелектроніка, дослідники детально вивчили їх оптичні властивості і вперше представили значення оптичних констант для таких ультратонких плівок золота.
За матеріалами прес-релізу МФТІ