De dunste materialen die tegenwoordig kunnen worden geproduceerd, hebben de dikte van een enkel atoom. Deze materialen – bekend als tweedimensionale materialen – vertonen eigenschappen die heel anders zijn dan hun bulk driedimensionale tegenhangers. Tot voor kort, 2D-materialen werden geproduceerd en gemanipuleerd als films op het oppervlak van een geschikt 3D-substraat. In samenwerking met een team van het Leibniz Institute for New Materials, een groep natuurkundigen aan de universiteit van Saarland, onder leiding van professor Uwe Hartmann, is er voor het eerst in geslaagd de mechanische eigenschappen van vrijstaande enkel-atoom-dikke membranen van grafeen te karakteriseren. De metingen werden uitgevoerd met behulp van scanning tunneling microscopie (STM). De onderzoekers hebben hun resultaten gepubliceerd in het vakblad nanoschaal .

Tweedimensionale materialen zijn pas enkele jaren bekend. In 2010, de wetenschappers André Geim en Konstantin Novoselov kregen de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun onderzoek naar het materiaal grafeen - een tweedimensionale allotroop van zuivere koolstof. Na die ontdekking, een aantal andere 2-D materialen gemaakt van silicium of germanium werden geproduceerd en gekarakteriseerd. "Het bijzondere van deze materialen is dat ze slechts één atoom dik zijn - ze zijn praktisch allemaal oppervlakte, " legt professor Uwe Hartmann uit, een experimenteel natuurkundige aan de Universiteit van Saarland. Als resultaat hebben ze fysieke eigenschappen die totaal anders zijn dan hun meer conventionele driedimensionale verwanten.

"De elektronische eigenschappen van sommige configuraties van grafeen zijn spectaculair. De elektronen in het binnenste van het materiaal zijn relativistisch, d.w.z. ze gehoorzamen aan de wetten van de relativiteitstheorie, wat zeker niet het geval is voor elektronen in conventionele materialen. Dit suggereert een aantal interessante voordelen voor elektronische componenten vervaardigd uit tweedimensionale materialen, ", zegt Hartmann. De mechanische eigenschappen van deze 2D-materialen zijn ook uniek. Volgens Hartmann:"Sommige configuraties van deze tweedimensionale materialen vertonen een mate van mechanische stabiliteit die - in verhouding tot de dikte van het materiaal - veel groter is dan die we zien in de meest stabiele driedimensionale materialen." Om dit potentieel te benutten, de EU heeft in 2013 haar Graphene Flagship-project opgezet. Met een onderzoeksbudget van € 1 miljard is het tot nu toe het grootste onderzoeksinitiatief van de EU.

Echter, informatie over de mechanische eigenschappen van deze nieuwe materialen is tot dusver afgeleid uit simulaties. "Tot nu toe, werken met tweedimensionale materialen betekende werken met ultradunne films op het oppervlak van een geschikt driedimensionaal substraat. Als resultaat, de eigenschappen van het totale systeem worden onvermijdelijk bepaald door het driedimensionale materiaal, " legt Hartmann uit. In samenwerking met het Leibniz Institute for New Materials (INM), die zich ook op de campus van Saarbrücken bevindt, Het onderzoeksteam van Hartmann van de afdeling Nanostructuuronderzoek en Nanotechnologie is er voor het eerst in geslaagd om de mechanische eigenschappen van een vrijstaande, membraan met één atoomlaag van het koolstofallotroop grafeen.

“We zijn nu in staat om de gegevens van modelberekeningen direct te vergelijken met onze experimentele bevindingen. we kunnen nu meten hoe verschillende defecten in het kristalrooster van het membraan de mechanische eigenschappen beïnvloeden, ", zegt professor Hartmann. Deze tweedimensionale materialen zijn veelbelovend voor innovatieve ontwikkelingen in verschillende technologische sectoren, van sensoren en actuatoren tot filtersystemen en brandstofcellen. De resultaten en methoden die door het team in Saarbrücken zijn ontwikkeld, zijn daarom van groot belang voor tal van onderzoeksgebieden.

De wetenschappers in Saarbrücken gebruikten een monolaag van grafeen die werd ondersteund op een substraat met een regelmatige reeks cirkelvormige gaten. Hartmann licht de opstelling als volgt toe:"De gaten hadden een diameter van ongeveer een micrometer. Met behulp van een scanning tunneling microscope (STM) hebben we het vrijstaande membraan boven de gaten met atomaire precisie kunnen analyseren."

"Als er een elektrische spanning wordt aangelegd tussen de punt van de STM en het membraan van grafeen met een dikte van één atoom, een elektrische stroom vloeit, " legt Hartmann uit. Deze stroom, die bekend staat als de "tunnelstroom", is erg gevoelig voor de afstand tussen de punt van de microscoop en het membraanmonster en voor de elektronenverdeling in de grafeenfilm. "We gebruiken dit effect om de individuele atomen zichtbaar te maken. De tunnelstroom varieert terwijl de STM-tip over het materiaal wordt gescand." Maar de onderzoekers maken ook gebruik van een ander effect. Wanneer er een spanning wordt aangelegd tussen de punt van de STM en het monster, een kracht werkt op het vrijstaande grafeenmembraan en het begint uit te puilen naar de punt. "Als de fooi wordt ingetrokken, de atomair dunne monolaag puilt nog meer uit, omdat het effectief wordt opgetild door een atomair nauwkeurig pincet. Het meten van de doorbuiging van het membraan als functie van de elektrostatische trekkracht die door de STM wordt gegenereerd, levert een spanning-rekdiagram op dat ons de belangrijkste mechanische eigenschappen van het grafeenmembraan geeft, ’, legt Hartmann uit.

"Door deze experimentele spanning-rekdiagrammen op te nemen, we hebben de buitengewone mechanische eigenschappen die tot nu toe voor deze materialen werden verondersteld, direct kunnen verifiëren. En we waren in staat om dit te doen met behulp van krachten in de orde van een miljardste van een Newton - ver, veel kleiner dan welke kracht dan ook die wordt gebruikt bij een conventionele mechanische meting, ", zegt Hartmann. De onderzoekers konden ook aantonen dat wanneer een kracht werd uitgeoefend op een vrijstaand membraan van grafeen, het membraan gedroeg zich niet als de gladde huid van een pauk, maar leek veel meer op het golvende oppervlak van een meer. De membranen vertonen een reeks golfbewegingen en ze reageren op elke externe verstoring door nieuwe rimpelingen in het oppervlak van het membraan te genereren."