Metaller genellikle iyi elektriksel iletkenlik ile karakterize edilir. Bu özellikle altın ve gümüş için geçerlidir. Bununla birlikte, Stuttgart’taki Max Planck Katı Hal Araştırma Enstitüsü’nden araştırmacılar; bazı değerli metallerin yeterince ince olmaları halinde bu özelliği kaybettiklerini keşfettiler. Bir katmanın uç noktası yalnızca bir atom kalınlığında yarı iletken gibi davranır. Bu bir kez daha elektronların malzemenin iki boyutlu tabakasında üç boyutlu yapılardan farklı davrandığını göstermektedir. Yeni özellikler potansiyel olarak, örneğin mikroelektronik ve sensör teknolojisindeki uygulamalara yol açabilir.
Sadece 0.1 µm kalınlığında olan altın varakın oldukça ince olduğu düşünülebilir. Aslında birkaç yüz kat daha ince olabilir. Örneğin, Ulrich Starke’nin araştırma ekibi ve eski doktora öğrencisi Stiven Forti, sadece tek bir atom kalınlığında bir altın katmanı başarıyla yarattı. (İki boyutlu altın)
Starke, Stuttgart’taki Max Planck Katı Hal Araştırma Enstitüsü’nün Arayüz Analiz Tesisi başkanıdır. Ekibi uzun zamandır üç boyutlu (hacimli) ve iki boyutlu (düzlemsel) malzemeler arasındaki sınır üzerinde çalışıyor. Katı hal araştırmacıları bu geçişle ilgilenmektedir, çünkü belirli maddi özelliklerde değişikliklerle ilişkilidir. Bu daha önce iki boyutlu karbon veya grafende gösterilmiştir. Diğer şeylerin yanı sıra, elektronları önemli ölçüde daha hareketlidir ve elektrik iletkenliğinin ilgili üç boyutlu grafitin 30 katına çıkmasına izin verir.
Altın Atomları Grafen ve Silikon Karbür Arasında İtilir
Birçok metal için, sadece bir atom kalınlığında malzeme katmanları üretmek kolay bir iş değildir. Starke; klasik biriktirme yöntemleriyle, örneğin altın atomları hemen üç boyutlu kümeler halinde toplanır, diye açıklıyor. Ekibi bu nedenle yaklaşık 10 yıl önce öncü çalışmaları yaptıkları farklı bir yöntemle (araya ekleme yaparak) çalışıyor. Intercalation (interkalasyon) kelimenin tam anlamıyla “arada bir şey kaydırmak“ anlamına gelir. İsmi gibi tam da böyle çalışır. Araştırmacılar silikon karbür gofret ile başlıyorlar. Kendilerini geliştirdikleri bir işlemi kullanarak, ilk önce yüzeyini tek atomlu bir grafen tabakasına dönüştürürler.
Ekip ayrıca interkalasyon tekniğini germanyum, bakır ve gadolinyum gibi diğer elementlere de uygulamıştı. Ancak Forti’ye göre, ana odak grafen özellikleri üzerindeki etkiydi. Bununla birlikte, altın söz konusu olduğunda, ilk defa araya sokulan atomların kendilerini silikon karbür yüzeyi boyunca düzenli, periyodik olarak tekrar eden iki boyutlu bir yapıda (kristalin) düzenledikleri bulunmuştur. Forti, sandviç yapısındaki karbon tabakasının işlevi hakkında “Intercalation 600 ° C’de gerçekleştirilirse, grafen tabakası altın atomlarının topak oluşturmasını engeller” diyor.
Sadece iki atom katmanından oluşan altın katmanın, bir metal gibi iletken etkisi…
Bir atom kalınlığının altın tabakasının başarılı bir şekilde hazırlanması sadece ilk adımdı. Daha sonra, son derece ince malzemeler ve muhtemelen özel özellikleri, araştırmacılar için ilginç hale geldi. Gerçekten de, son derece ince altın katmanının kendi elektronik ve yarı iletken özelliklerini geliştirdiğini gösterebilirler. Karşılaştırıldığında, hacimli (yani üç boyutlu altın) elektrik iletkenliği neredeyse bakır kadar iyidir. Teorik düşünceler saf 2D altın için metalik bir karakter öngördüğünde, yarı iletken bulgusu biraz şaşırtıcıydı.
Starke: “Altın atomları ve silisyum karbür ya da grafen karbon arasındaki etkileşimler burada hala önemli bir rol oynamaktadır. Bu elektronların enerji seviyelerini etkiler.”
Yarı iletkenler, mikroelektronik ve diğer alanlarda temel malzemelerdir. Örneğin, diyotlar veya transistörler gibi elektronik anahtarlama elemanları buna dayanır. Starke ekibi, yeni 2 boyutlu malzeme için bazı tipik yarı iletken uygulamalarını tasarlayabilir. İkinci bir altın atom tabakası yine metalik bir karakter verir ve böylece elektrik iletkenliğini etkiler. Forti, “Süblime altın miktarını değiştirerek, bir veya iki altın katmanı olup olmadığını sıkı bir şekilde kontrol edebiliriz” diye açıklıyor.
Bu nedenle, alternatif tek veya çift atomlu altın katmanlara sahip bileşenlerin kullanılması düşünülebilir. Bu durumda yeni imalat yönteminin, yaygın litografik talaş üretimi yöntemleri ile uygun şekilde birleştirilmesi gerekecektir. Örneğin, geleneksel olanlardan önemli ölçüde daha küçük diyotlar üretilebilir. Starke’ye göre, optik sensörlerde tek ve çift katmanlı altının farklı elektronik durumları da kullanılabilir.
Grafen tabakasında elektronik efektler…
Başka bir uygulama fikri, görünüşte altının kalınlığına bağlı olan, bitişik grafen tabakasında araya giren altının neden olduğu etkilerden kaynaklanmaktadır.
Forti: “Bir atom kalınlığındaki altın tabaka grafende n-dopinge neden olur. Bu, yük taşıyıcı olarak elektron elde ettiğimiz anlamına gelir”
Altının iki atom tabakası kalınlığında olduğu noktalarda, tam tersi (p-doping) gerçekleşir. Orada, eksik elektronlar veya pozitif yüklü “delikler” yük taşıyıcıları olarak işlev görürler. Altın ayrıca plazmonların (yani yük taşıyıcıların yoğunluğundaki dalgalanmalar) elektromanyetik radyasyon ile etkileşimini arttırır.
Starke: “Grafende n- ve p-dopingin yapılandırılmış, dönüşümlü bir şekilde düzenlenmesi kullanılabilir. Örneğin, terahertz radyasyonu için malzeme testinde kullanılanlar gibi hava alanlarındaki güvenlik kontrolleri için oldukça hassas ancak yüksek çözünürlüklü bir detektör dizisi olarak, veya kablosuz veri iletimi için kullanılabilir.”
Starke ve ekibi, iki boyutlu değerli metal katmanların üretiminde bir sonraki adımı attı. Ayrıca gümüş ile yapılan bir interkalasyon deneyinde, silikon karbür ve grafen arasında sıkıca kristalize iki boyutlu gümüş bir tabaka oluşmuştur. Dahası; genellikle altından daha iyi bir elektrik iletkeni olan bu metal bile iki boyuta indirildiğinde yarı iletken hale gelir. İlk sonuçlar, gümüş tabakayı elektriksel olarak iletken hale getirmek için gereken enerjinin muhtemelen 2D altından daha yüksek olduğunu göstermektedir. Starke olası pratik sonuçları hakkında “Bu malzemeden yapılan bir bileşenin yarı iletken özellikleri bu nedenle altından termal olarak daha kararlı olabilir” diyor
