Atomisk tykke metalmembraner

For første gang har forskere vist, at fritstående metalmembraner bestående af et enkelt lag atomer kan være stabile under omgivende forhold. Dette resultat af et internationalt forskerhold fra Tyskland, Polen og Korea udgives i Videnskab den 14. marts, 2014.

Succesen og løftet om atomisk tyndt kulstof, hvor kulstofatomer er arrangeret i et bikagegitter, også kendt som grafen har udløst enorm entusiasme for andre todimensionelle materialer, for eksempel, sekskantet bornitrid og molybdænsulfid. Disse materialer deler et fælles strukturelt aspekt, nemlig de er lagdelte materialer, som man kan tænke på som individuelle atomplaner, der kan trækkes væk fra deres store 3D-struktur. Dette skyldes, at lagene holdes sammen gennem såkaldte van der Waals-interaktioner, som er relativt svage kræfter sammenlignet med andre bindingskonfigurationer såsom kovalente bindinger. Når de er isoleret, bevarer disse atomisk tynde lag den mekaniske integritet (dvs. de er stabile) under omgivende forhold.

I tilfælde af bulkmetaller, deres krystallinske struktur er tredimensionel, og er således ikke en lagdelt struktur og desuden er metalliske atombindinger relativt stærke. Disse strukturelle aspekter af metaller synes at antyde eksistensen af ​​metalatomer, da et fritstående 2D-materiale er usandsynligt. Dannelsen af ​​2D atomisk tynde metalliske lag over andre overflader er tidligere blevet demonstreret, i dette tilfælde interagerer metalatomerne dog med det underliggende substrat. På den anden side, metallisk binding er ikke-retningsbestemt, og denne kendsgerning sammen med den fremragende plasticitet af metaller på nanoskala antyder, at atomisk tynde 2D fritstående membraner bestående af metalatomer måske netop er mulige. Ja, dette er, hvad en international gruppe af forskere baseret i Tyskland, Polen og Sydkorea har nu vist, at det er muligt at bruge jernatomer. Bortset fra demonstrationen af, at metalatomer kan danne fritstående 2D-membraner, er der betydelig interesse for potentialet af sådanne 2D-metalmaterialer, da de forventes at have eksotiske egenskaber.

Den internationale gruppe af forskere fra Leibniz Institute Dresden (IFW), Technische Universität Dresden, det polske videnskabsakademi, Sungkyunkwan University og Center for Integrated Nanostructure Physics, et Institute of Basic Science (Korea) brugte porer i monolagsgrafen til at danne fritstående 2D jern (Fe) enkeltatomtykke membraner. For at opnå dette udnyttede forskerne den måde, hvorpå Fe-atomer bevæger sig hen over overfladen af ​​grafen, når de bestråles af elektroner i et transmissionselektronmikroskop (TEM). Da disse atomer bevæger sig hen over overfladen, hvis de støder på en åben grafenkant, har de en tendens til at blive fanget der.

Forskerne kunne vise, in situ, at et stort antal Fe-atomer kan blive fanget i en pore og, i øvrigt, konfigurere sig selv på en ordnet måde til at danne en krystal med et firkantet gitter. Afstanden mellem atomer (gitterkonstant) viste sig i gennemsnit at være 2,65±0,05Å, hvilket er betydeligt større end for (200) Miller-indeks planafstanden for den fladecentrerede kubiske fase (FCC) eller (110) planafstanden for BCC Fe. Dette resultat var overraskende, fordi gitter normalt krymper, når de har et lavere koordinationstal, en proces kendt som overfladekontraktion.

Forskerne var i stand til at vise, at den observerede forstørrede gitterafstand skyldtes belastning, som opstår på grund af gittermismatchet ved grafenkanten og Fe-membrangrænsefladen. Ja, de kunne observere, at gitteret slapper af (trækker sig sammen) mod midten af ​​membranerne. Understøttende teoretiske undersøgelser fra forskerne viste variationer i båndstrukturen af ​​en 2D Fe-membran sammenlignet med bulk Fe. Forskellene skyldtes, at nogle elektronorbitaler lå i planet og andre var ude af et plan, en effekt, der ikke forekommer i 3D bulk Fe. De teoretiske undersøgelser bekræftede også et resultat vist ved tidligere teoretiske beregninger, at 2D Fe-membraner skulle have et væsentligt forbedret magnetisk moment.

Demonstrationen af ​​2D Fe-membraner er spændende, fordi den viser, at fritstående 2D-materialer, der ikke er opnået fra lagdelte bulkmaterialer, kan opnås, og at sådanne 2D-materialer kan være stabile under omgivende forhold. Teknikken udviklet af forskerne kan bane vejen for, at nye 2D-strukturer kan dannes. Disse nye 2D-strukturer kan forventes at have forbedrede fysiske egenskaber, der kan rumme potentiale i en række forskellige applikationer. For eksempel, de forbedrede magnetiske egenskaber af atomisk tynde 2D Fe kunne gøre dem attraktive for magnetiske optagemedier. De kan også have interessante egenskaber til fotoniske og elektroniske applikationer.