Успех и перспективность атомарно тонкого углерода, в котором атомы углерода расположены в сотовой решетке, также известного как графен, вызвали огромный энтузиазм в отношении других двумерных материалов, например, гексагонального нитрида бора и сульфида молибдена. Эти материалы имеют общий структурный аспект, а именно, они представляют собой слоистые материалы, которые можно рассматривать как отдельные атомные плоскости, которые можно отделить от их объемной трехмерной структуры.
Это связано с тем, что слои удерживаются вместе посредством так называемых ван-дер-ваальсовых взаимодействий, которые являются относительно слабыми силами по сравнению с другими конфигурациями связывания, такими как ковалентные связи. После изоляции эти атомарно тонкие слои сохраняют механическую целостность (т.е. они стабильны) в условиях окружающей среды.В случае массивных металлов их кристаллическая структура является трехмерной и, таким образом, не является слоистой структурой, и, кроме того, связи между атомами металла относительно прочны.
Эти структурные аспекты металлов, казалось бы, подразумевают, что существование атомов металла как автономного 2D-материала маловероятно. Ранее было продемонстрировано образование 2D атомно тонких металлических слоев на других поверхностях, однако в этом случае атомы металла взаимодействуют с подстилающей подложкой. С другой стороны, металлическое соединение является ненаправленным, и этот факт наряду с превосходной пластичностью металлов на наномасштабе предполагает, что атомарно тонкие двухмерные автономные мембраны, состоящие из атомов металлов, вполне могут быть возможны. Действительно, международная группа исследователей из Германии, Польши и Южной Кореи продемонстрировала возможность использования атомов железа.
Помимо демонстрации того, что атомы металлов могут образовывать автономные 2D-мембраны, существует значительный интерес к потенциалу таких 2D-металлических материалов, поскольку ожидается, что они будут обладать экзотическими свойствами.Международная группа исследователей из Института Лейбница в Дрездене (IFW), Технического университета Дрездена, Польской академии наук, Университета Сунгюнкван и Центра интегрированной физики наноструктур, Института фундаментальных наук (Корея) использовала поры в монослойном графене. с образованием свободно стоящих двумерных мембран толщиной в один атом железа (Fe).
Чтобы достичь этого, исследователи воспользовались тем, как атомы Fe движутся по поверхности графена при облучении электронами в просвечивающем электронном микроскопе (ТЕМ). Поскольку эти атомы движутся по поверхности, если они сталкиваются с открытым краем графена, они имеют тенденцию застревать там. Исследователи смогли показать in situ, что большое количество атомов Fe может быть захвачено в поре и, более того, упорядоченно конфигурируется, образуя кристалл с квадратной решеткой. Расстояние между атомами (постоянная решетки) в среднем составило 2,65 ± 0,05 A, что значительно больше, чем расстояние для плоскости индекса Миллера (200) для гранецентрированной кубической (ГЦК) фазы или расстояния в плоскости (110). для BCC Fe.
Этот результат был неожиданным, потому что обычно решетки сжимаются, когда они имеют более низкое координационное число, процесс, известный как сокращение поверхности. Исследователи смогли показать, что наблюдаемый увеличенный интервал решетки был вызван деформацией, возникающей из-за несоответствия решеток на краю графена и границе раздела Fe-мембраны. Действительно, они могли наблюдать, как решетка расслабляется (сжимается) к центру мембран. Подтверждение теоретических исследований, проведенных учеными, показало, что зонная структура 2D Fe-мембраны отличается по сравнению с объемным Fe.
Различия были связаны с тем, что некоторые электронные орбитали лежали в плоскости, а другие — вне плоскости, что не происходит в трехмерном объемном Fe. Теоретические исследования также подтвердили результат, показанный предыдущими теоретическими расчетами, о том, что мембраны 2D Fe должны иметь значительно увеличенный магнитный момент.Будущий потенциалДемонстрация 2D-мембран Fe увлекательна, потому что она показывает, что могут быть получены автономные 2D-материалы, которые нельзя получить из слоистых объемных материалов, и что такие 2D-материалы могут быть стабильными в условиях окружающей среды.
Метод, разработанный исследователями, может проложить путь к формированию новых 2D-структур. Можно ожидать, что эти новые 2D-структуры будут обладать улучшенными физическими свойствами, которые могут иметь потенциал для различных приложений. Например, улучшенные магнитные свойства атомарно тонкого 2D Fe могут сделать их привлекательными для магнитных носителей записи.
Они также могут иметь интересные свойства для фотонных и электронных приложений.