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电子香料三明治：该图显示了石墨烯（无烟煤）下的晶体单原子金层。上图显示了金层和石墨烯（绿色）的电子结构。斯图加特·马克斯·普朗克的研究人员通过用光子束（灰色）检查样品，以光谱法确定了电子性质。
首次有可能产生贵金属的晶体层，该晶体层由一个原子层组成并且是半导体。
金属通常以良好的导电性为特征。这尤其适用于黄金和白银。但是，斯图加特马克斯·普朗克固态研究所的研究人员以及比萨和隆德的合作伙伴现在发现，如果某些贵金属足够薄，它们就会失去该特性。因此，只有一个原子厚的一层的极端行为就像半导体。这再次证明电子在材料的二维层中的行为不同于在三维结构中的行为。新特性可能会导致在微电子和传感器技术等领域的应用。
有人可能会认为只有0.1m厚的金µ箔实际上很薄。离得很远。实际上，它可以薄几百倍。例如，乌尔里希·史塔克（Ulrich Starke）的研究团队和他的前博士生斯蒂芬·福蒂（Stiven Forti）成功地创建了仅单个原子厚的金层。二维金，可以这么说。
Starke是位于斯图加特的马克斯·普朗克固态研究所的界面分析设施负责人。他的团队长期以来一直在研究三维（大体积）材料和二维（平面）材料之间的边界。固态研究人员对这种转变很感兴趣，因为它与某些材料特性的变化有关。先前已经在二维碳或石墨烯中证明了这一点。除其他事项外，其电子的流动性明显更高，并使电导率增加到相关三维石墨的30倍。
金原子被推向石墨烯和碳化硅之间
但是，对于许多金属而言，仅产生一个原子厚的材料层并不是一件容易的事。“使用经典的沉积方法，例如，金原子会立即聚集成三维团簇，” Starke解释说。因此，他的团队正在使用一种不同的方法-插值-他们在大约10年前就曾进行开创性工作。插入字面意思是在两者之间滑动。这就是它的工作原理。研究人员从碳化硅晶片开始。他们使用自己开发的工艺，首先将其表面转化为石墨烯的单原子层。“如果我们在高真空下将升华的金汽化到这种碳化硅-石墨烯结构上，金原子就会在碳化物和石墨烯之间迁移，” Forti解释说。这位前马克斯·普朗克博士候选人现在正在比萨的纳米技术创新中心进行研究。尚不完全了解厚金原子如何进入间隙空间。但这很明显：较高的温度有利于该过程。
提示隐藏的贵金属：扫描隧道显微镜的图像显示了石墨烯，在石墨烯下有一个单原子厚的晶体金层。除了石墨烯的六边形结构外，图像中还可以看到亮度波动。这些是因为金层与石墨烯相互作用并形成超晶格，即莫尔晶格。比例尺代表一纳米。
该团队还将插层技术应用于其他元素，包括锗，铜和g。然而，据Forti称，主要焦点是对石墨烯性能的影响。但是，对于金来说，这是首次发现插入的原子沿着碳化硅表面以规则，周期性重复的二维结构（晶体）排列自己。Forti谈到夹层结构中碳层°的功能时说：“如果在600℃进行插入，则石墨烯层会阻止金原子团聚形成液滴。”
仅由两个原子层组成的金层的行为就像金属一样
成功制备一个原子厚度的金层只是第一步。随后，极薄的材料及其可能具有的特殊特性引起了研究人员的兴趣。他们的确可以表明，极薄的金层具有其自身的电子和半导体特性。进行比较：大量（即三维金）的电导率几乎与铜的电导率一样好。由于理论上的考虑预测了纯2D金的金属特性，因此半导体的发现有些令人惊讶。显然，金原子与碳化硅或石墨烯碳之间的相互作用仍在起作用。这会影响电子的能级。 Starke说。
半导体是微电子学和其他领域中必不可少的材料。例如，诸如二极管或晶体管之类的电子开关元件都基于它。Starke的团队可以为这种新型2D材料设想一些典型的半导体应用。第二层金原子再次具有金属特征-因此影响电导率。“通过改变升华金的量，我们可以严格控制是形成一层还是两层金，” Forti解释说。
因此，可以想到使用具有交替的单原子或双原子金层的组件。然后，必须将新的制造方法与芯片生产的普通光刻方法适当地结合起来。例如，可以生产比传统二极管小得多的二极管。根据Starke的说法，单层和双层金的不同电子状态也可以用于光学传感器。
石墨烯层中的电子效应
另一个应用思路是由相邻石墨烯层中嵌入金所引起的影响而产生的，这种影响显然取决于金的厚度。“一个原子厚的金层会在石墨烯中引起n掺杂。这意味着我们获得了电子作为载流子。” Forti说。在金有两个原子层厚的斑点中，恰好相反，即p掺杂。在那里，缺少电子或带正电的所谓“空穴”充当电荷载流子。金还增强了等离子体激元与电磁辐射的相互作用（即，电荷载流子密度的波动）。“因此可以使用石墨烯中n和p掺杂的结构化交替排列。例如，作为太赫兹辐射的高灵敏度但高分辨率的探测器阵列，例如材料测试中使用的阵列，机场安全检查中或无线数据传输中使用的阵列。”斯塔克说。
Starke的团队已经在二维贵金属层的生产中迈出了下一步。同样在银的插层实验中，在碳化硅和石墨烯之间形成了严格结晶的二维银层。更重要的是：即使这种通常比金更好的电导体，这种金属在缩小为二维后也变成了半导体。初步结果表明，使银层导电所需的能量可能比2D金要高。“由这种材料制成的组件的半导体特性因此可能比金具有更高的热稳定性，”斯塔克谈到可能的实际后果时说道。
