Naukowcy z Cornell University oraz University of Ulm zostali wpisani do Księgi Rekordów Guinnessa dzięki uzyskaniu najcieńszego arkusza szkła o grubości zaledwie dwóch atomów. Badacze dokonali tego nieoczekiwanie – podczas pracy nad syntezą grafenu pokryli alotropową odmianę węgla monowarstwą krzemionki.
Szklany arkusz jest tak cienki, że naukowcy poprzez transmisyjny mikroskop elektronowy dostrzegli pojedyncze atomy krzemu i tlenu. Artykuł bezpośrednio opisujący sposób uzyskania tak cienkiej warstwy szkła został opublikowany po raz pierwszy w styczniu w 2012 roku w czasopiśmie Nano Letters. Informacja o rekordzie zostanie oficjalnie udostępniona w Księdze Rekordów Guinnessa 2014.
Szkło o grubości zaledwie dwóch atomów zostało zsyntetyzowane przypadkowo. Naukowcy chcieli stworzyć arkusz grafenu, czyli dwuwymiarową warstwę atomów węgla o strukturze plastra miodu (heksagonalnej). Do wytworzenia grafenu została wykorzystana metoda niskociśnieniowego, chemicznego osadzania z fazy gazowej (z. ang low pressure chemical vapor deposition – LPCVD).
Prekursorem był heksan, którego pary zawierające atomy węgla miały zostać osadzone na polikrystalicznej warstwie miedzi. Miedź była przytwierdzona do kwarcowego podłoża, umieszczonego w kwarcowej rurze.
Ciśnienie w rurze zostało zmniejszone do 10^(-2) milibara, czyli 1 Pa. Następnie do komory wpompowano argon i wodór pod ciśnieniem 500 Pa, a miedzianą warstwę ogrzewano do temperatury 950°C. Kiedy wymagana temperatura podłoża została osiągnięta, zatrzymano przepływ argonu i wodoru, a przez okres jednej minuty pompowano heksan w postaci par pod ciśnieniem 50 Pa. Końcowym krokiem było schłodzenie komory do temperatury pokojowej, ponownie w atmosferze argonu i wodoru pod ciśnieniem 500 Pa. Produkt oddzielono od podłoża poprzez trawienie 15% kwasem azotowym i przygotowano odpowiednio do badań TEM i STEM.
Na tak powstałych arkuszach grafenu naukowy zauważyli “osad”, który po dokładnych oględzinach okazał się niczym innym tylko szkłem – amorficzną warstwą SiO2, o składzie chemicznym jaki używamy na co dzień (krzem i tlen). Naukowcy podejrzewają, że powstanie dwuwymiarowego arkusza krzemionki na warstwie grafenu było wynikiem nieumyślnego przepływu powietrza wewnątrz kwarcowej rury podczas zmiany argonu i wodoru na pary heksanu. Spowodowało to utlenienie warstwy miedzi i reakcję z z SiO2, którym wyściełane było wnętrze komory reakcyjnej. Analiza atomowa pozwoliła zidentyfikować krystaliczne dwuwymiarowe formy tlenków uformowanych z pojedynczych i podwójnych tetraedrów krzemu i tlenu, bez widocznych wiązań kowalencyjnych z warstwą grafenu. Krystaliczne formy były następnie naturalnym punktem wzrostu dla amorficznej warstwy szkła 2D.
Według profesora Davida A. Mullera, otrzymana warstwa odpowiada na pytanie, które zadano osiemdziesiąt lat temu – jak wygląda zasadnicza struktura szkła? Zdjęcia wykonane mikroskopem TEM okazały się uderzająco podobne do modelu ułożenia atomów w szkle sporządzonego w 1932 roku przez Williama Zachariasena.
Badacze sugerują, że dwuwymiarowe szkła pewnego dnia będą mogły zostać wykorzystane przy produkcji bezdefektowych tranzystorów oraz ultracienkich materiałów mogących poprawić wydajność procesorów.
Źródło:
[1] Direct Imaging of a Two-Dimensional Silica Glass on Graphene. Pinshane Y. Huang1, Simon Kurasch, Anchal Srivastava, Viera Skakalova, Jani Kotakoski, Arkady V. Krasheninnikov, Robert Hovden, Qingyun Mao, Jannik C. Meyer, Jurgen Smet, David A. Muller and Ute Kaiser
[2] https://cornell.app.box.com/glass/1/1138033127/10268100275/1 | 12.09.2013
[3] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/nl204423x/suppl_file/nl204423x_si_001.pdf | 12.09.2013
[4] Glass by Gerla Brakkee, flickr.com, CC BY 2.0