Metallmembranen aus nur einer Atomlage

Nur aus einer einzigen Atomlage besteht das Kohlenstoff-Material Graphen, das zudem ganz besondere mechanische und elektronische Eigenschaften aufweist. Der große Erfolg und die breiten Anwendungsperspektiven von Graphen haben Forscher weltweit dazu inspiriert, nach weiteren zweidimensionalen Materialien zu suchen.

Bor-Nitrid 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-Dimesionalität 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. Dass dies dennoch möglich ist, haben Forscher 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 nun bewiesen.

Dazu nutzten sie die Poren einer Graphen-Schicht als Falle für Eisenatome, die sich über diese Schicht bewegten, angeregt durch Elektronenstrahlen im Transmissionselektronen-mikroskop. Die Forscher konnten zeigen, dass eine größere Anzahl von Eisenatomen in einer Pore gefangen wird und sich zu einem zweidimensionalen quadratischen Kristallgitter anordnet.

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, dass auch Materialien, deren Kristallstruktur nicht als Schichtstruktur angelegt ist, als stabile dünne Membranen unter normalen Umgebungsbedingungen existieren 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 ist ein weiterer Motor für weiterführende Forschungen auf diesem Gebiet. Das Beispiel Eisen hat gezeigt, dass die magnetischen Eigenschaften in den zweidimensionalen Membranen deutlich verstärkt sind, was sie für die Anwendung als Magnetspeicher interessant macht. 

Veröffentlichung: J. Zhao, Q. Deng, A. Bachmatiuk, G. Sandeep, A. Popov, J. Eckert, M. H. Rümmeli, Free-Standing Single-Atom-Thick Iron Membranes Suspended in Graphene Pores, SCIENCE, 14 March 2014, Manuscript Number: science.1245273

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