Badacze po raz pierwszy w historii zaprezentowali wolnostojące monowarstwy z atomów żelaza, stabilne w warunkach otoczenia. Dzięki współpracy naukowców z Niemiec, Polski i Korei Południowej udało się umieścić pojedynczą warstwę atomów Fe w porach znajdujących się w grafenowym arkuszu. Eksperyment może utorować drogę do produkcji nowych, hybrydowych struktur “2D” dołączanych do warstwy grafenu.
Sukces i nadzieje związane z grafenem, czyli monowarstwą atomów węgla, uporządkowanych w sieć o strukturze plastra miodu wywołały ogromny entuzjazm pośród środowisk naukowych i przemysłowych. Warstwowe materiały takie jak heksagonalny azotek boru, czy siarczek molibdenu mają wspólny aspekt konstrukcyjny co grafen – pojedyncza powierzchnia może zostać wyizolowana z całej objętości trójwymiarowej struktury. Wynika to z faktu, że warstwy są utrzymywane razem za pomocą oddziaływań van der Waalsa, które są stosunkowo słabe w porównaniu do innych konfiguracji wiązań (np. kowalencyjnych).
Jeśli po odizolowaniu powłoki są stabilne w warunkach otoczenia to utrzymują one swoją integralność mechaniczną. W przypadku metali, struktura krystaliczna jest trójwymiarowa i zarazem niewarstwowa, a ponadto wiązania metaliczne pomiędzy atomami są stosunkowo silne. Cechy strukturalne budowy metali sugerują, że mało prawdopodobne jest istnienie wolnostojących monowarstw. Mimo tego już kilka lat temu zademonstrowano możliwość powstawania cienkich, jednoatomowych powłok metalicznych w przypadku osadzania warstw na podłożach. Wykazano jednak, że atomy metali wchodziły w interakcję z atomami należącymi do podstawy. Z drugiej strony wiązania metaliczne są bezkierunkowe, co w połączeniu z niezwykłą elastycznością metali w nanoskali postanowili wykorzystać inżynierowie pracujący nad wolnostojącą monowarstwą z atomów żelaza.
Międzynarodowa grupa naukowców z Leibniz Institute Dresden (IFW) w Niemczech, Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych PAN z Zabrza oraz Sungkyunkwan University z Korei Południowej wyprodukowała pojedyncze warstwy atomów żelaza w specjalnie utworzonych otworach w arkuszu z grafenu. Jednorodną powłokę z grafenu osadzono za pomocą metody CVD na molibdenowe podłoże pokryte niklem o wysokiej czystości (99,99%). Następnie od góry pokryto ją polmetakrylanem metylu (z ang. polymethyl methacrylate, PMMA) w celu późniejszego transportu. Próbkę zanurzono w roztworze FeCl3, czego skutkiem było odłączenie grafenu z PMMA od metalowego podłoża. Warstwę starannie przepłukano wodą destylowaną, wysuszono, po czym wystawiono na działanie gorących par acetonu (usunięcie PMMA). Na końcu warstwę wygrzewano przez noc w temperaturze 300°C pod zmniejszonym ciśnieniem. Dołączenie atomów żelaza nastąpiło dzięki metodzie zwanej aberracją niskonapięciową (naświetlaniu) transmisyjnym mikroskopem elektronowym (z ang. low voltage aberration corrected TEM). Atomy Fe poruszające się po powierzchni grafenu w momencie spotkania z otwartą krawędzią (otworem) przejawiały tendencję do pozostawania w tym miejscu. Badacze wykazali, że duża liczba atomów Fe została uwięziona w porach. Ponadto zauważono, że formowały się one w postaci uporządkowanych, kwadratowych, płaskich siatek. Odstępy pomiędzy atomami wynosiły średnio 2,65 ± 0,05 A, co jest znacznie większą odległością w porównaniu do dystansu między atomami występującego w naturalnych dla trójwymiarowego kryształu żelaza układach regularnych, przestrzennie i ściennie centrowanych (wskaźniki Millera odpowiednio (200) i (110)).
Zdaniem badaczy demonstracja możliwości fabrykacji monowarstwy z atomów Fe jest ekscytująca, ponieważ daje nadzieję tworzenia nowych struktur o polepszonych właściwościach fizycznych z potencjałem w wielu zastosowaniach. Badania teoretyczne i empiryczne wykazały zwiększony moment magnetyczny atomów żelaza w pojedynczej warstwie materiału, co może uczynić go atrakcyjnym w produkcji nośników magnetycznych. Posiada on również interesujące właściwości dla fotoniki i elektroniki.
Źródło:
[1] J. Zhao, Q. Deng, A. Bachmatiuk, G. Sandeep, A. Popov, J. Eckert, M. H. Rummeli. Free-Standing Single-Atom-Thick Iron Membranes Suspended in Graphene Pores. Science, 2014; 343 (6176): 1228 DOI: 10.1126/science.1245273
[2] http://www.sciencemag.org/content/343/6176/1228 [17.03.2014]
[3] http://www.sciencemag.org/content/suppl/2014/03/12/343.6176.1228.DC1/Zhao_SM.pdf [17.03.2014]
[4] http://www.ifw-dresden.de/en/press-and-events/press-release/current-news/article/atomically-thick-metal-membranes/ [17.03.2014]
[5] Two-dimensional membrane of a single atomic iron trapped in a graphene pore. Zdjęcie dzięki uprzejmności © IFW Dresden