许多人可能会感到奇怪：黄金和白银，与其它许多金属一样，具有良好的导电性，怎么可能又成为了半导体呢？
著名的马克斯·普朗克固体研究所的研究人员现在发现，如果某些贵金属足够薄，它们就会失去其导电体特性，比如只有一个原子厚的一层黄金或白银的的行为就会变为半导体。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。这种新特性可能会导致在微电子和传感器技术等领域的应用。该最新研究发现刊登在最近的《自然通讯》杂志上。
研究人员成功地创建了仅单个原子厚的金层，可以这么说：二维金材料。该研究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界限，因为它与材料特性的变化有关。在二维碳或石墨烯中已经证明了这一点，除其他性质外，其电子的流动性明显更高，并使电导率增加到三维石墨的30倍。
金原子被推向石墨烯和碳化硅之间
研究人员解释说，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，金原子将立即聚集成三维簇”。因此，研究团队使用一种不同的方法：插层，他们在大约10年前就曾进行这项开创性工作。
插层，也称嵌入（英语：Intercalation）。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蒸发到这种碳化硅-石墨烯结构上，金原子就会在碳化物和石墨烯之间迁移”。尚不完全了解厚金原子如何进入间隙空间。但很明显的是：较高的温度有利于该过程。
如上图所示石墨烯的结晶单原子金层。上图显示了金层和石墨烯（绿色）的电子结构，通过用光子束（灰色）检查样品，以光谱法确定了其电子特性。
该团队还将插层技术应用于其它元素，包括锗、铜和钆，但主要重心是对石墨烯性能的影响。在金的情况下，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晶体结构排列。研究人员谈到夹层结构中碳层的功能时说：“如果在°C进行插层，石墨烯层会阻止金原子团聚形成液滴。”
如上图所示扫描隧道显微镜图像显示了铁原子和有机分子如何在金基底上以图案的形式变得有序。
两个原子层组成的金层就像金属一样导电
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。研究表明，极薄的金层具有自己的电子半导体特性。三维金的电导率几乎与铜相同，然而纯二维金的半导体金属特性的发现确实令人惊讶。研究人员说：“金原子与碳化硅或石墨烯碳之间的相互作用显然仍然在这里起作用，它影响了电子的能级。”
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。研究团队可以为新型二维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性，因此会影响电导率。“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”，研究人员解释说。
因此，可以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，可以生产比常规小得多的二极管，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
另一个应用前景是由相邻石墨烯层中的嵌入金引起的效应产生的，这种效应显然取决于金的厚度。研究人员说：“一个原子厚的金层在石墨烯中引起n型掺杂（n-doping）。这意味着我们获得了作为电荷载流子的电子”。在金有两个原子层厚的微点中，恰好相反，为p型掺杂（p-doping），在此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型和p型掺杂的结构化交替排列。例如，作为太赫兹辐射的高灵敏度，高分辨率检测器阵列，如材料测试、机场的安全检查、无线数据传输应用中。
该研究团队在二维贵金属层的制作中迈出了下一步，同样在银的插层研究中，在碳化硅和石墨烯之间形成了严格结晶的二维银层。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时也变成了半导体。结果表明，使银层导电所需的能量可能比二维金要高。研究人员指出：“因此，用这种材料制成的部件的半导体性能可能比金更稳定。”
参考：“Semiconductortometaltransitionintwo-dimensionalgoldanditsvanderWaalsheterostackwithgraphene”.NatureCommunications..