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纳米材料

纳米材料

实验室制造的石墨烯状铁

14 Mar 2014
石墨烯中的一小块二维铁

在多孔的独立式石墨烯的小孔中制成了原子厚的铁层。这项工作是由一个国际团队完成的,该团队还进行了计算,表明该新材料具有一些潜在有用的奇异特性,例如较大的磁矩。但是,研究小组认为,当二维结构大于12时,其热力学不稳定 原子宽:在将材料投入实际应用(如磁数据存储)之前,必须解决的问题。

乍一看,独立的2D金属似乎是不可能的。这是因为金属中原子之间的键是由导电电子介导的,导电电子可以在任何方向自由移动。结果,金属趋于具有3D晶体结构并且没有形成平面片的趋势。这与结晶碳不同,结晶碳通过高度定向的共价键结合在一起,从而允许存在独立的原子厚的石墨烯片。虽然可以在基板上创建金属原子的单个外延层,但由于原子与底层结构键合,因此它们不是真正的2D材料。

填补差距

在新的研究中 马克·Rümmeli 德国德累斯顿的莱布尼兹固态与材料研究所以及波兰和韩国的研究所的研究人员研究了石墨烯中孔边缘金属原子的行为。他们通过化学气相沉积在表面上生长出石墨烯片,并通过用氯化铁溶液蚀刻基板来使其脱离。这在石墨烯的表面上留下了痕量的铁。用电子束照射石墨烯会产生小孔,并且还会促使铁原子四处移动。石墨烯的边缘原子具有最高的反应性,因为它们含有悬挂键。因此,当可移动的铁原子遇到孔的边缘时,它们会与之结合。铁原子继续与边缘周围的其他铁原子键合,直到孔被铁的2D方格完全密封为止。

群组’的理论计算表明,最大的热力学稳定片约为12 atoms across – or just 3 nm –宽。实验中观察到的最大纸张只有10张 原子宽。除此之外,铁形成3D结构的趋势胜过铁与边缘碳原子之间的键合。“原子通常形成一个微小的晶体,粘在其中一个边缘上,” explains Rümmeli,现在在韩国基础科学研究所。

历史表明,当有人提出了意想不到的新材料时, someone else usually comes up with an unexpected use for it
马克·Rümmeli,韩国基础科学研究所

其他计算表明,当铁形成2D晶格时,电子带结构的变化应使其比块状铁具有更大的磁矩。研究人员推测,这可能使其对磁性存储器有用。 [Rü但是,mmeli强调,在考虑将膜用于实际应用之前,必须完成更多的基础科学工作。“历史表明,当有人提出了意想不到的新材料时,” he says, “别人通常会意外地使用它。”该小组计划尝试通过相同的方法制造其他2D金属,并研究其性能。

稳定性问题

彼得罗·甘巴尔德拉苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的材料科学家表示,从根本上讲,这项工作非常有趣,但他仍对潜在的工程应用持怀疑态度。“如果大于12的东西会分解 atoms across, it’显然很不稳定,” he says, “so it’很难看到如何在不损坏设备的情况下在设备中使用它。”

阿尔卡迪·克拉申宁尼科夫芬兰的阿尔托大学和赫尔辛基大学的电子结构理论家对此更为乐观。“At present, it’显然太不稳定了,无法在实验室外使用,” he says, “but it’令人惊讶的是,这样的2D结构甚至可以存在。现在人们可以开始寻找使其更稳定的方法。”他建议将其夹在两层石墨烯之间可能会使其稳定。“希望它将保持其独特的磁性,” he says.

该研究发表在 科学.

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