В рамках своей последней работы совместная группа ученых из Германии, Польши и Кореи смогла заполнить миниатюрные отверстия в листе графена небольшими железными «вставками» (о некоторых деталях этой работы мы уже писали). Опубликованная учеными статья, помимо описания методики производства данной структуры, также содержит расчеты, показывающие, что новый материал имеет потенциально интересные экзотические свойства, к примеру, большой магнитный момент. Тем не менее, согласно расчетам, созданная структура становится термодинамически неустойчивой, когда ее размеры превышают 12 атомов в диаметре. Эту проблему еще предстоит преодолеть, прежде чем материал можно будет использовать на практике, в частности, в устройствах хранения данных.

На первый взгляд самостоятельный двумерный фрагмент металла – структура невозможная. Связано это с тем, что соединение атомов в металле обусловлено присутствием электронов, которые могут свободно перемещаться в любом направлении внутри кристаллической решетки.

В результате, металлы имеют явную склонность к образованию трехмерных, а не двумерных структур. Это существенно отличает металлы, к примеру, от кристаллического углерода, который соединяется посредством направленных ковалентных связей, допускающих формирование плоских структур, вроде графена. Конечно, одиночные слои металла могут быть сформированы на подложке, но по своей сути их нельзя отнести к полноценным двумерным материалам (поскольку атомы в них связаны с некой основной структурой).

В рамках своей работы международная группа исследователей из Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (Германия), а также научных институтов Польши и Кореи изучала поведение атомов металла, размещенных по краям отверстий в графене.

Они выращивали листы графена методом химического осаждения из парообразного состояния; позже слой отсоединялся от подложки при помощи травления раствором хлорида железа. Методика производства оставляла незначительные фрагменты железа на поверхности графена. А при помощи облучения материала электронным пучком ученые могли формировать небольшие отверстия в графене и перемещать отдельные атомы железа.

Поскольку атомы на краях отверстий имеют «оборванные» связи, при перемещении атомов железа, они занимают именно эти позиции.

Как показали эксперименты,

процесс заполнения отверстия продолжается и дальше, пока атомы железа не закрывают его полностью двумерной кристаллической решеткой.

Теоретические расчеты научной группы показывают, что

наибольшая термодинамическая структура с такой конфигурацией будет около 12 атомов или 3 нм в ширину. Правда, на эксперименте удалось наблюдать структуры не более 10 атомов в ширину; после этого тенденция железа формировать трехмерную структуру превалирует над процессом заполнения двумерного отверстия.

Другие расчеты показывают изменения в электронной структуре атомов железа, образующих двумерную решетку. Согласно вычислениям,

такая структура должна обладать значительно большим магнитным моментом, нежели объемный кристалл железа. Таким образом, структура могла бы быть полезной для создания магнитных носителей для хранения данных. Правда, прежде чем говорить о практическом применении разработки, потребуется более фундаментальное исследование структуры.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Science.