Физик Хавьер Санчес-Ямагиши из Калифорнийского университета в Ирвайне сравнил новое достижение коллег с открытием графена — одноатомного слоя углерода, который своим появлением совершил настоящую революцию в науке о материалах. Действительно, двумерные материалы обладают совершенно иными свойствами, чем их объемные аналоги. Например, графен оказался более прочным и электропроводным, чем привычный нам графит, из которого делают карандаши. Однако получить двухмерные листы металлов оказалось непросто. Графен и другие материалы со слоистой структурой можно разделить на слои, но металлы не имеют слоев, поэтому воспользоваться путем, которым пошли создатели графена, в отношении висмута или свинца невозможно.
Более или менее удачные попытки создать одноатомные слои металла уже предпринимались, но получать двумерные металлические слои удавалось лишь в ограниченных масштабах. Например, в прошлом году ученые создали «голденен» — одноатомный слой золота. Чаще всего для получения материалов такого рода применялось осаждение паров металла — метод небезупречный, так как он не позволяет полностью изолировать свойства самого материала: атомы металла в процессе осаждения слишком плотно связываются с подложкой. Кроме того, полученные двумерные металлы оказались очень нестабильными: атомы стремились слипаться в наночастицы, а при контакте с воздухом быстро окислялись, что затрудняло их изучение.
Гуаньюй Чжан из Китайской академии наук вдохновился видео о ковке меди, где металл разогревался в печи, а затем формировался в тонкие листы с помощью ударов молота. На разработку нанокузнечного метода ушло семь лет, сложнее всего оказалось получить идеально ровную поверхность для сжатия металла. Решением стала сапфировая подложка, покрытая дисульфидом молибдена (MoS₂), который отличается атомарной гладкостью.
Процесс изготовления листов оказался относительно простым: каплю расплавленного металла зажимали между двумя сапфировыми пластинами и охлаждали под давлением. В результате получается «сэндвич» из двух слоев MoS₂ и ультратонкой металлической пленки.
Используя эту технику, ученые получили листы металла толщиной в атомы и шириной около 100−200 микрометров — это достаточно большой размер для такого тонкого материала. Проводящие свойства таких «атомных сэндвичей» можно изучать после охлаждения их до сверхнизких температур — в таком случае MoS2 становит изолятором и «исчезает» из электрических измерений.
Особенно интересными оказались свойства двумерного висмута. Его проводимость оказалась в десять раз выше, чем у объемного висмута, а также он оказался необычайно чувствительным к действию электрического поля. Это значит, что такой материал может стать основой для принципиально новых электронных устройств, например, транзисторов.
Однако до практического применения новых материалов еще далеко. Инженер Эрик Поп из Стэнфордского университета подчеркнул, что для внедрения таких материалов в электронику необходимо сначала убедиться, что они остаются стабильными при высоких температурах, без которых не обойтись при производстве чипов. Тем не менее, сам факт появления ультратонких металлических слоев открывает новые горизонты в физике материалов.
Забавно, но, хоть ученые и вдохновлялись при разработке новой технологии ковкой меди, им пока что не удалось создать двумерный медный слой — температура плавления этого металла слишком высока для текущего дизайна установки. Однако команда Чжана уже работает над улучшенной версией технологии, которая сможет работать с металлами, плавящимися при температурах выше 500 . Возможно, в будущем такая методика позволит создать новые сверхпроводящие материалы и ультратонкие электронные компоненты, которые изменят мир технологий.
