Metallmembran in Graphen-Pore
Erstmals stabile, freistehende Membranen aus einer Lage Metallatomen hergestellt.
Der große Erfolg und die breiten Anwendungsperspektiven von Graphen haben Forscher weltweit dazu inspiriert, nach weiteren zweidimensionalen Materialien zu suchen. Bornitrid oder Membranen aus Wolfram und Selen sind Beispiele für dünnste Schichten aus nur einer Atomlage. Diese Materialien haben eine Kristallstruktur, die das Element der Zwei-Dimensionalität bereits in sich trägt: Sie bestehen aus in sich sehr stabilen Atomlagen, die untereinander nur durch schwache Kräfte zusammengehalten werden und sich dadurch relativ leicht ablösen lassen. Anders ist das bei Metallen, diese sind durch eine starke dreidimensionale Kristallstruktur gekennzeichnet. Die Existenz von freistehenden zweidimensionalen Metallmembranen erscheint deshalb unwahrscheinlich.
Abb.: Zweidimensionale Membran aus einer einzigen Atomlage Eisen in einer Graphen-Pore (Bild: IFW)
Dennoch gelang es Forschern des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden IFW, der Technischen Universität Dresden, der Polnischen Akademie der Wissenschaften, des Institute of Basic Sciences Korea und der Sungkyunkwan University Korea, dies nun zu zeigen. Dazu nutzten sie die Poren einer Graphenschicht als Falle für Eisenatome, die sich über diese Schicht bewegten, angeregt durch Elektronenstrahlen im Transmissionselektronenmikroskop. Die Pore fängt eine größere Anzahl von Eisenatomen, die sich darin zu einem zweidimensionalen quadratischen Kristallgitter anordnen. Im Vergleich zu dreidimensionalen Eisenkristallen weisen diese Membranen aus nur einer Atomlage Eisen ein deutlich höheres magnetisches Moment und eine größere Gitterkonstante auf, was durch theoretische Modelle gestützt wird.
Das Ergebnis ist von Bedeutung, weil es erstmalig zeigt, wie auch Materialien, deren Kristallstruktur nicht als Schichtstruktur angelegt ist, als dünne Membranen unter normalen Umgebungsbedingungen stabil sein können. Die Methode, Graphen als Strukturierungsschablone bei der Präparation zu verwenden, könnte Schule machen und den Weg zu weiteren neuen zweidimensionalen Membranen öffnen.
Die Anwendung der dabei zutage tretenden veränderten Eigenschaften sehen die Wissenschaftler als einen weiteren Motor für weiterführende Forschungen auf diesem Gebiet. Wie das Beispiel Eisen zeigt, verstäreken die zweidimensionalen Membranen die magnetischen Eigenschaften deutlich, was sie für die Anwendung als Magnetspeicher interessant macht.
IFW / OD
