2-D材料和在碳涂层表面生长的金属的独特性能

        二维材料是一个思维扭曲的概念，毕竟人类生活在一个三维的世界。在自然界中，我们的观察到的一切都有高度、宽度和深度。 
        然而，当石墨烯（一种真正平面，单原子深度尺寸的独一无二的碳材料）首次在2004年生产出来时，思维扭曲的概念变成了现实，并且是材料科学中尚未开发的前沿。
        Ames实验室科学家Pat Thiel和Michael Tringides是该领域的开拓者，他们发现了二维（2-D）材料和在石墨烯、石墨和其他碳涂层表面上生长的金属的独特性能。
       “如果科学家可以谈论奇迹，那我们的工作真有点奇迹，”同为物理学教授Tringides在爱荷华州立大学说。 “仅在几十年前，没有人会相信我们可以看到单个原子，但我们现在的能力不仅允许我们看到它们，而且可以操纵它们，就像玩耍乐高积木的孩子一样，我们能够自下而上创建这些材料，这在自然界永远不可能发生的。
         它们在受控的实验室环境中、在超高真空环境中产生，并在扫描隧穿显微镜的帮助下进行研究。在将基体加热到高温之后，去除所有杂质和缺陷。冷却基体，并且通过特殊设计源逐个沉积感兴趣的原子。通过调整温度和沉积速率，研究人员寻找类金凤花条件：原子移动不会太快和不太慢，所以真正的2-D材料形成。
        虽然他们的研究团队在工作中创造多种多样的表面材料，但制造方法都有一个共同点：尝试将原子的组装限制在2-D平面。这很困难，因为它与之违背——原子天性在大多数方面、要在三个维度组装。 
        Tringides说：“原子生性混乱；我们所做的一切正在对抗这种随机性。 “在我们的工作中，原子被精确地排列在真空中的高反应性表面上，环境的每一个方面都受到控制，我们的工作是制造非常小、非常干净、非常完美。 制造纳米级的材料需要它。”
         学习这些材料的行为是至关重要的。因为2-D材料都是表面、没有体积，所以独特的纳米级性质的主体-化学、磁性、电子、光学和热学可以归功于它。
        物理化学家、材料科学家和爱荷华州立大学杰出教授Thiel说：“有一本关于体积或三维材料属性的规则手册，它包含了大量被广泛理解和接受的大块。”但是2-D材料的规则手册很大程度上是不成文的，有很多事情我们不知道。我们得到很多惊喜，然后我们必须解释它们。
        将规则手册写到这些材料的行动只是更大目标的第一步，创造在包括超快速微电子学、催化和自旋电子学在内的大量技术应用中潜在有用的可调材料。
         这就是为什么在过去四年Thiel和Tringides的研究集中在二维基体上生长金属，使其成为Ames实验室材料研究的主要优势。
         石墨烯在科学研究和技术工业中已经得到了热烈的关注，因为电子沿着它的表面传播非常快，Tringides解释说。但是为了产生功能器件，在其表面上它需要纳米级尺寸金属样板，专门为期望的功能而设计。
        Tringides说：“无论我们试图创造什么材料，表面的均匀性是功能器件的关键，这是我们的“完美”研究所在。这种完美性使我们进展缓慢，但它是一种权衡。“如果我们能够全面了解如何在受控环境中的理想条件下生产这些触头，那么这些方法可以最终被优化用于商业生产和应用。
        Thiel和Tringides最近的成功是将镝嵌入石墨层间。插层是将材料引入具有层状结构的化合物中。这是石墨的一个真正的挑战，因为它纯粹的2-D表面导致“光滑”的层，没有良好的方式在它们之间形成连接。
        “这就像一张床上的毯子，”Thiel说。 “毯子本身非常牢固，但是两个堆叠在一起的毯子在床上滑动，从床上滑落，并且容易分开。但是团队最近发现了它们可以创建不同类型的插层金属和石墨系统的条件，将这些材料的“滑毯”二维地结合在一起。这是一种有希望的新方法，形成由碳表层保护的金属的薄涂层，并且可以开发出具有独特磁性或催化性质的材料。
         这样一个侧重的和高度控制的基础科学的实验重点，可能比较吸引人，假设他们的研究、比如他们的实验脱离了现实。但Thiel将Ames实验室的表面科学的成功归功于不同研究团体的密切合作。 “Ames实验室有表面科学实验的一个良好的环境，因为我们有机会与不同专业领域的许多科学家直接合作，从不同的角度解决同样的问题，”Thiel说，包括光子带隙材料、光学物理、理论和材料制造。 “这种合作模式已经被其他机构采纳、现在是规范，Ames实验室的内部规模和社区文化启动了这一切，我们在表面科学的成就从中受益匪浅。


来源：中国稀土行业协会