İki boyutta metaller doğaları gereği kararlı değildir. Ancak küçük tabakalar halinde sıkıştırıldıklarında, bilim insanlarının ilgisini çeken sıra dışı özellikler sergilerler.
Yaklaşık 20 yıl önce yapışkan bantla tek katmanlı grafen izole edildiğinden beri, yalnızca bir veya birkaç atom kalınlığındaki 2D malzemeleri araştıran geniş bir alan ortaya çıktı. Kuantum hapsi nedeniyle bu malzemeler, örneğin kütlesiz parçacık gibi davranan elektronlar içeren grafen gibi, olağanüstü elektriksel özellikler gösterebilir.
Grafenin, güçlü iç bağları ve diğer katmanlara zayıf van der Waals etkileşimleriyle bağlanması, onu grafitten ayırmayı kolaylaştırır. Bu da grafeni, 2D malzeme araştırmalarında başlangıç noktası haline getirmiştir. O zamandan beri yarı iletken MoS₂ ve yalıtkan bor nitrür gibi başka 2D van der Waals malzemeleri geliştirildi. Teorik olarak öngörülen bazı fazlar da vardır; örneğin, belirli koşullarda 2D bizmut, yüzeylerinde yük taşıyan topolojik bir yalıtkan olabilir.
Ancak bizmut ve diğer yaygın metaller, atomik kalınlıkta tabakalar halinde kararlı olmadıkları için 2D formlarını üretmek zordur. Bu sorunu aşmak için karbon ve azotla karıştırılan geçiş metallerinden oluşan MXene adlı bileşikler geliştirildi. Kimyasal buhar biriktirme, moleküler ışın epitaksisi ve sıcak presleme gibi tekniklerle mikrometre boyutlarında metal tabakalar üretildi. Ancak bu parçalar çok küçük ve düzensiz olduğu için teknolojik uygulamalarda kullanılamıyordu.
Çinli araştırmacılar bu sorunu aşmak için hidrolik bir pres ve atomik düz yüzeyler kullandı. Araştırma lideri Zhang, bu basit yöntemin iyi sonuç verdiğini söylüyor. Metaller, safir örsler üzerine yerleştirilen tek katmanlı MoS₂ yüzeyleri üzerinde sıkıştırılarak atomik incelikte büyük metal levhalar elde edildi. Zhang’ın laboratuvarı, yıllardır bu tür büyük ve tek katmanlı MoS₂ üretimi üzerine çalışıyor ve bu tabakalar artık 2D metaller üretmekte anahtar rol oynuyor.
Araştırmacılar, metal tozlarını MoS₂ kaplı safir örsler üzerinde eritip, 200 MPa’a kadar kademeli olarak sıkıştırarak atomik incelikte metal levhalar elde etti. Bu süreçte basınç korunurken sistemin yavaşça soğumasına izin verildi. MoS₂ kapsülü, metalin havayla temasını engelliyor ve çıkarılması da oldukça kolay. Araştırmacı Sanchez-Yamagishi, bu yöntemle “şimdiye kadar elde edilmiş en düz alt tabaka”nın oluşturulduğunu söylüyor. MoS₂, safirin düzlüğünü daha da artırıyor.
MoS₂, metali hem koruyor hem de 2D forma yönlendiriyor. Reaktif iyon aşındırma MoS₂’yi hızla bozsa da, van der Waals etkileşimleriyle korunmuş metaller bir yıl boyunca kararlı kalabiliyor. MoS₂ ile kimyasal bağ kurmayan bu metallerin elektriksel, optik ve manyetik özellikleri doğrudan incelenebiliyor. Ancak MoS₂ ortam sıcaklığında yarı iletken olduğu için, deneyler genellikle düşük sıcaklıkta yapılıyor.
Zhao ve ekibi bu yöntemle 2D bizmut, indiyum, kalay, kurşun ve galyum tabakaları elde etti. Özellikle bizmut dikkat çekti; çünkü daha önce küçük örneklerde olağanüstü elektriksel ve optik özellikler göstermişti. İki atom kalınlığındaki bizmut tabakaları, uygulanan elektrik alanına duyarlılık göstererek transistör gibi işlev görebiliyor. Araştırmacılar, farklı fazların oluşabileceğini ve üretim parametrelerinin bu fazları yönlendirebileceğini belirtiyor.
Basınç ayarlarıyla dört veya altı katmanlı bizmut tabakaları üretildi ve şimdi karışım malzemeler üzerine çalışmalar planlanıyor. “Bu yapılar hakkında hâlâ çok az şey biliyoruz,” diyen Zhang, temel özelliklerin öncelikle anlaşılması gerektiğini vurguluyor.
Princeton Üniversitesi’nden Sanfeng Wu, bu yöntemin kuantum cihaz mühendisliğinde büyük potansiyel taşıdığını belirtiyor. Daha büyük levhalar üretmek için yüzey düzlüğü kritik; safir örsler yüksek basınçta çizildiğinden her denemeden sonra cilalanmaları gerekiyor. Ancak Zhang, bu teknik engellerin aşılabileceğine inanıyor.
Sanchez-Yamagishi’ye göre, bu yaratıcı yaklaşım kristal büyütme alanında devrim niteliğinde: “Ultra pahalı vakumlu ekipmanlar yerine, basit ve etkili bir yöntemle büyük ilerleme sağlandı. Bu yöntemin yaygınlaşmasını bekliyorum.”
Kaynak: pubs.aip.org/physicstoday/online/44210/To-make-atomically-thin-metals-just-squeeze
