最近发表在《自然通讯》 杂志上的一篇研究论文讨论了使用化学蚀刻方法制造厚度为纳米级的大面积单晶二维(2D)金片。金片的独特性质允许实现具有纳米级光学限制的等离子体纳米结构，并且可以在纳米光子学中具有潜在的应用。
用于纳米光子学的二维单晶金属
二维金属，尤其是二维金，因其具有电学和光学性质的量子效应、光学透明性和良好的化学稳定性等优点，现在被广泛应用于纳米光子研究，所有这些都有助于增强纳米尺度的光与物质的相互作用。
过去，采用不同的湿化学方法来制备单纳米厚度的二维超薄金片。然而，由于厚度和尺寸随着时间的推移按比例增加而造成的限制，这一目标很难实现。此外，尽管优化光学和电学性能对于各种应用至关重要，但湿化学方法仍面临精确控制二维金厚度的困难。
许多研究已经通过有机硅烷单层、晶种或金属等粘合层在介电基板上实现了超薄二维金膜。然而，这些薄膜的性能受到其粒状多晶结构带来的电子散射损失的影响。此外，由于晶种层或粘附力，薄膜更难与基材分离，限制了它们与其他设备集成的能力。
二维金片的制备
在本研究中，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)辅助转移印刷方法将二维金片从基材上剥离并沉积到所需的结构上。水蒸气被蒸发形成微米级的液滴，小心地转移，并在室温下对准所需的结构或表面。-
使用电子束光刻 (EBL) 和抗蚀剂掩模对制备好的金片进行图案化。原子级精密蚀刻(ALPE)遵循蚀刻曝光区域的过程，并通过将其暴露于电子束、使用半胱胺水溶液进行蚀刻以及在表面上旋涂抗蚀剂来控制。随后，使用透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)分析所制备的金片的晶体结构和表面形貌。使用基于霍尔棒结构的四探针法评估电性能。
结果和观察
从二维金片不同位置获得的AFM图像显示了均匀的原子单层逐单层蚀刻过程，这有助于保持金片的初始质量并产生厚度均匀的大面积二维金片。2D 金片的 TEM 图像显示厚度为 3.7 nm。相比之下，横截面 TEM 图像描绘了 10 个金原子平面，它们在环境条件下使薄片稳定六个月。
这项研究使用精确的方法制备称为 ALPE 的单晶二维金片，以克服湿法化学蚀刻中的横向尺寸与厚度关系。ALPE 有助于制造厚度极薄 (1 nm) 的大面积 2D 金片。由于量子效应，这些金片光学性能的显着改善可归因于厚度的急剧减小，同时保持光滑和单一的结构。作者制备的二维金片具有结晶质量和优异的连续性，这使其成为光电器件中透明柔性电极的有希望的候选者。
值得注意的是，蚀刻发生在金片的边缘，蚀刻片的尺寸和形状没有任何差异，这是制备大面积金片的核心标准。估计蚀刻速率约为 0.2 nm/分钟，主要取决于半胱胺浓度。
电性能的评估证实了薄片的结构质量。随着厚度从 9 纳米减少到 1.4 纳米，薄层电阻将从 9 Ω/平方增加到 530 Ω/平方。因此，二维金片的方块电阻显着降低可归因于较低的电子散射损失。ALPE 还可用于局部区域制备微/纳米结构。这种方法也可用于制备其他金属薄片，例如铜、银等。
结论
综上所述，本研究成功展示了通过应用 ALPE 技术生产最小厚度为 1 nm、横向尺寸超过数百微米的二维单晶金片。还可以进一步优化蚀刻条件以减少二维金片的厚度。研究成果强调了金片的卓越品质及其在纳米图案和转移印刷中的适应性，有助于以最小化的损失创建纳米级光子器件和结构。
此外，二维金片的卓越特性，例如出色的等离子体响应、由于量子限制而增强的光学非线性、高透明度和易于转移，使其成为广泛研究领域的宝贵资源，包括物理、化学、电子学、机械学。
