Voor het eerst hebben onderzoekers aangetoond dat vrijstaande metalen membranen bestaande uit een enkele laag atomen stabiel kunnen zijn onder omgevingsomstandigheden. Dit resultaat van een internationaal onderzoeksteam uit Duitsland, Polen en Korea wordt gepubliceerd in Wetenschap op 14 maart, 2014.

Het succes en de belofte van atomair dunne koolstof, waarin koolstofatomen zijn gerangschikt in een honingraatrooster, ook bekend als grafeen heeft geleid tot een enorm enthousiasme voor andere tweedimensionale materialen, bijvoorbeeld, hexagonaal boornitride en molybdeensulfide. Deze materialen delen een gemeenschappelijk structureel aspect, namelijk, het zijn gelaagde materialen die men kan zien als individuele atomaire vlakken die kunnen worden weggetrokken uit hun bulk 3D-structuur. Dit komt omdat de lagen bij elkaar worden gehouden door zogenaamde van der Waals-interacties die relatief zwakke krachten zijn in vergelijking met andere bindingsconfiguraties zoals covalente bindingen. Eenmaal geïsoleerd behouden deze atomair dunne lagen de mechanische integriteit (d.w.z. ze zijn stabiel) onder omgevingsomstandigheden.

In het geval van bulkmetalen, hun kristallijne structuur is driedimensionaal, en is dus geen gelaagde structuur en bovendien zijn metaalatoombindingen relatief sterk. Deze structurele aspecten van metalen lijken het bestaan ​​van metaalatomen te impliceren, aangezien een vrijstaand 2D-materiaal onwaarschijnlijk is. De vorming van 2D atomair dunne metalen lagen over andere oppervlakken is eerder aangetoond, in dit geval echter interageren de metaalatomen met het onderliggende substraat. Anderzijds, metaalbinding is niet-directioneel en dit feit, samen met de uitstekende plasticiteit van metalen op nanoschaal, suggereert dat atomair dunne 2D vrijstaande membranen bestaande uit metaalatomen misschien wel mogelijk zijn. Inderdaad, dit is wat een internationale groep onderzoekers gevestigd in Duitsland, Polen en Zuid-Korea hebben nu aangetoond dat het mogelijk is om ijzeratomen te gebruiken. Afgezien van de demonstratie dat metaalatomen vrijstaande 2D-membranen kunnen vormen, is er aanzienlijke belangstelling voor het potentieel van dergelijke 2D-metaalmaterialen, aangezien ze naar verwachting exotische eigenschappen hebben.

De internationale groep onderzoekers van het Leibniz Institute Dresden (IFW), de Technische Universität Dresden, de Poolse Academie van Wetenschappen, Sungkyunkwan University en het Center for Integrated Nanostructure Physics, een Institute of Basic Science (Korea) gebruikte poriën in monolaag grafeen om vrijstaande 2D ijzer (Fe) enkel-atoom dikke membranen te vormen. Om dit te bereiken maakten de onderzoekers gebruik van de manier waarop Fe-atomen over het oppervlak van grafeen bewegen wanneer ze worden bestraald door elektronen in een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM). Omdat deze atomen over het oppervlak bewegen als ze een open rand van grafeen tegenkomen, hebben ze de neiging daar vast te komen te zitten.

De onderzoekers konden laten zien, ter plaatse, dat grote aantallen Fe-atomen vast kunnen komen te zitten in een porie en, Bovendien, configureren zichzelf op een geordende manier om een ​​kristal te vormen met een vierkant rooster. De afstand tussen atomen (roosterconstante) bleek gemiddeld 2,65 ± 0,05 A te zijn, wat aanzienlijk groter is dan die voor de (200) Miller-indexvlakafstand voor de face-centered cubic (FCC) fase of de (110) vlakafstand voor BCC Fe. Dit resultaat was verrassend, omdat roosters meestal krimpen als ze een lager coördinatiegetal hebben, een proces dat bekend staat als oppervlaktecontractie.

De onderzoekers konden aantonen dat de waargenomen vergrote roosterafstand te wijten was aan spanning die ontstaat als gevolg van de roostermismatch aan de grafeenrand en het Fe-membraaninterface. Inderdaad, ze konden het rooster zien ontspannen (samentrekken) naar het midden van de membranen. Ondersteunend theoretisch onderzoek door de onderzoekers toonde variaties in de bandstructuur van een 2D Fe-membraan in vergelijking met bulk Fe. De verschillen waren te wijten aan het feit dat sommige elektron-orbitalen in het vlak lagen en andere uit een vlak, een effect dat niet optreedt in 3D bulk Fe. De theoretische onderzoeken bevestigden ook een resultaat dat werd aangetoond door eerdere theoretische berekeningen dat 2D Fe-membranen een aanzienlijk verbeterd magnetisch moment zouden moeten hebben.

De demonstratie van 2D Fe-membranen is opwindend omdat het laat zien dat vrijstaande 2D-materialen die niet worden verkregen uit gelaagde bulkmaterialen kunnen worden bereikt en dat dergelijke 2D-materialen stabiel kunnen zijn onder omgevingsomstandigheden. De door de onderzoekers ontwikkelde techniek zou de weg kunnen effenen voor de vorming van nieuwe 2D-structuren. Van deze nieuwe 2D-structuren kan worden verwacht dat ze verbeterde fysieke eigenschappen hebben die potentieel kunnen hebben in een verscheidenheid aan toepassingen. Bijvoorbeeld, de verbeterde magnetische eigenschappen van atomair dun 2D Fe zouden ze aantrekkelijk kunnen maken voor magnetische opnamemedia. Ze kunnen ook interessante eigenschappen hebben voor fotonische en elektronische toepassingen.