För första gången har forskare visat att fristående metallmembran som består av ett enda lager av atomer kan vara stabila under omgivande förhållanden. Detta resultat av ett internationellt forskarlag från Tyskland, Polen och Korea publiceras i Vetenskap den 14 mars, 2014.

Framgången och löftet om atomärt tunt kol, där kolatomer är ordnade i ett bikakegitter, även känd som grafen har utlöst enorm entusiasm för andra tvådimensionella material, till exempel, hexagonal bornitrid och molybdensulfid. Dessa material delar en gemensam strukturell aspekt, nämligen, de är skiktade material som man kan tänka sig som individuella atomplan som kan dras bort från sin stora 3D-struktur. Detta beror på att skikten hålls samman genom så kallade van der Waals-interaktioner som är relativt svaga krafter jämfört med andra bindningskonfigurationer såsom kovalenta bindningar. När de väl isolerats bibehåller dessa atomärt tunna skikt den mekaniska integriteten (dvs de är stabila) under omgivande förhållanden.

När det gäller bulkmetaller, deras kristallina struktur är tredimensionell, och är således inte en skiktad struktur och dessutom är metalliska atombindningar relativt starka. Dessa strukturella aspekter av metaller verkar antyda förekomsten av metallatomer eftersom ett fristående 2D-material är osannolikt. Bildandet av 2D atomärt tunna metallskikt över andra ytor har tidigare visats, i detta fall interagerar emellertid metallatomerna med det underliggande substratet. Å andra sidan, metallisk bindning är icke-riktad och detta faktum tillsammans med den utmärkta plasticiteten hos metaller på nanoskala tyder på att atomärt tunna 2D fristående membran bestående av metallatomer kan vara möjliga. Verkligen, Detta är vad en internationell grupp av forskare baserad i Tyskland, Polen och Sydkorea har nu visat att det är möjligt att använda järnatomer. Bortsett från demonstrationen att metallatomer kan bilda fristående 2D-membran finns det ett betydande intresse för potentialen hos sådana 2D-metallmaterial eftersom de förväntas ha exotiska egenskaper.

Den internationella gruppen av forskare från Leibniz-institutet Dresden (IFW), Technische Universität Dresden, den polska vetenskapsakademin, Sungkyunkwan University och Center for Integrated Nanostructure Physics, ett Institute of Basic Science (Korea) använde porer i mono-lager grafen för att bilda fristående 2D järn (Fe) enatomtjocka membran. För att uppnå detta utnyttjade forskarna sättet på vilket Fe-atomer rör sig över grafenytan när de bestrålas av elektroner i ett transmissionselektronmikroskop (TEM). Eftersom dessa atomer rör sig över ytan om de möter en öppen grafenkant tenderar de att fastna där.

Forskarna kunde visa, på plats, att ett stort antal Fe-atomer kan fångas i en por och, dessutom, konfigurera sig på ett ordnat sätt för att bilda en kristall med ett fyrkantigt gitter. Avståndet mellan atomer (gitterkonstant) befanns i genomsnitt vara 2,65±0,05Å, vilket är betydligt större än det för (200) Miller-index-planavståndet för den ansiktscentrerade kubiska (FCC) fasen eller (110) planavståndet för BCC Fe. Detta resultat var överraskande, eftersom galler vanligtvis krymper när de har ett lägre koordinationsnummer, en process som kallas ytkontraktion.

Forskarna kunde visa att det observerade förstorade gitteravståndet berodde på töjning som uppstår på grund av gallerfelpassningen vid grafenkanten och Fe-membrangränssnittet. Verkligen, de kunde observera gallret slappna av (sammandragna) mot mitten av membranen. Understödjande teoretiska undersökningar av forskarna visade variationer i bandstrukturen hos ett 2D Fe-membran jämfört med bulk-Fe. Skillnaderna berodde på att vissa elektronbanor låg i planet och andra var utanför ett plan, en effekt som inte uppstår i 3D-bulk Fe. De teoretiska undersökningarna bekräftade också ett resultat visat av tidigare teoretiska beräkningar att 2D Fe-membran bör ha ett signifikant förstärkt magnetiskt moment.

Demonstrationen av 2D Fe-membran är spännande eftersom den visar att fristående 2D-material som inte erhålls från skiktade bulkmaterial kan uppnås och att sådana 2D-material kan vara stabila under omgivande förhållanden. Tekniken som utvecklats av forskarna kan bana väg för att nya 2D-strukturer kan bildas. Dessa nya 2D-strukturer kan förväntas ha förbättrade fysiska egenskaper som kan ha potential i en mängd olika tillämpningar. Till exempel, de förbättrade magnetiska egenskaperna hos atomärt tunna 2D Fe skulle kunna göra dem attraktiva för magnetiska inspelningsmedia. De kan också ha intressanta egenskaper för fotoniska och elektroniska tillämpningar.