1. ДВУМЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ
Открытие в 2004 году графена — листа углерода толщиной всего в один атом — ознаменовало новую эру в материаловедении. Оказалось, что такие материалы, получившие название двумерных, обладают необычными свойствами, полезными для различного применения. С тех пор в лабораториях изготовлены и изучены сотни других двумерных материалов. Большинство из них представляют собой слоистые кристаллы с ван-дер-ваальсовыми связями между слоями. Силы Ван-дер-Ваальса возникают из-за колебаний электронных оболочек в атомах и молекулах, приводящих к образованию временных диполей, которые в свою очередь поляризуют собратьев из соседнего слоя. Это приводит к слабому притяжению между слоями в отличие от сильных ковалентных связей атомов внутри слоя. Такое строение позволяет слоям подобного кристалла легко отслаиваться, что все наблюдали на примере графита. Однако создание двумерных металлических листов считалось ранее невозможным, поскольку каждый атом в металле надёжно связан с соседями во всех направлениях.
Процесс изготовления двумерных металлических материалов с помощью технологии, называемой ван-дер-ваальсовым сжатием. Рисунок (с изменениями): Институт физики (IOP) Китайской академии наук.
Справедливости ради надо сказать, что реальные двумерные материалы могут иметь толщину и в несколько атомов. Однако получение даже таких больших металлических листов оставалось серьёзной проблемой. А те образцы, что всё же удавалось изготовить, были очень низкого качества и крайне нестабильны.
Задачу решили исследователи из Института физики Китайской академии наук. Они разработали удобную и универсальную технологию производства двумерных металлов, которую назвали ван-дер-ваальсовым сжатием. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature.
Для изготовления двумерного листа авторы расплавляли порошки чистых металлов между высококачественными однослойными монокристаллическими наковальнями из дисульфида молибдена (MoS2), выращенными на сапфире, а затем сжимали их под высоким давлением в 200 МПа. В таком положении наковальни находились, пока всё не остывало до комнатной температуры. В результате исследователи сумели получить листы висмута, олова, свинца, индия и галлия толщиной от 5,8 до 9,2 ангстрем (A, 1 A = 10-10 м). Это примерно в миллион раз тоньше листа бумаги для принтера. Для сравнения: размер атомов — 1—2 A.
Наковальни должны быть идеально плоскими и не иметь оборванных связей. Тогда они обеспечивают равномерную толщину листа металла в больших масштабах и не образуют с ним ковалентных связей, а только ван-дер-ваальсовы. Благодаря этому можно потом легко отделить лист от наковален. Выбор сапфира в качестве основания позволяет наковальням выдерживать экстремальные давления, благодаря чему листы металла между ними приближаются к пределу толщины. Кроме того, толщину можно регулировать степенью сжатия, что раньше было невозможно.
Разработанная технология открывает новые горизонты в исследованиях 2D-металлов, которые имеют перспективы для изготовления сверхмалых маломощных транзисторов, прозрачных и гибких дисплеев, высокочастотных устройств и сверхчувствительных датчиков. Не исключено, что их можно будет использовать для высокоэффективного катализа. Более того, метод ван-дер-ваальсова сжатия дал эффективный способ производства двумерных металлических сплавов, аморфных и других неслоистых материалов, что создаёт многообещающие возможности для их широкого применения в квантовых, электронных и фотонных устройствах...
