Pour la première fois, des chercheurs ont montré que des membranes métalliques autoportantes constituées d'une seule couche d'atomes peuvent être stables dans des conditions ambiantes. Ce résultat d'une équipe de recherche internationale d'Allemagne, Pologne et Corée est publié dans Science le 14 mars, 2014.

Le succès et la promesse du carbone atomiquement mince, dans lequel des atomes de carbone sont disposés en un réseau en nid d'abeilles, également connu sous le nom de graphène a suscité un énorme enthousiasme pour d'autres matériaux bidimensionnels, par exemple, nitrure de bore hexagonal et sulfure de molybdène. Ces matériaux partagent un aspect structurel commun, à savoir, ce sont des matériaux en couches que l'on peut considérer comme des plans atomiques individuels qui peuvent être retirés de leur structure 3D en vrac. En effet, les couches sont maintenues ensemble par ce que l'on appelle des interactions de van der Waals qui sont des forces relativement faibles par rapport à d'autres configurations de liaison telles que les liaisons covalentes. Une fois isolées, ces couches atomiquement minces conservent leur intégrité mécanique (c'est-à-dire qu'elles sont stables) dans les conditions ambiantes.

Dans le cas des métaux en vrac, leur structure cristalline est tridimensionnelle, et n'est donc pas une structure en couches et de plus les liaisons atomiques métalliques sont relativement fortes. Ces aspects structurels des métaux semblent impliquer l'existence d'atomes métalliques en tant que matériau 2D autonome est peu probable. La formation de couches métalliques atomiquement minces 2D sur d'autres surfaces a déjà été démontrée, cependant, dans ce cas, les atomes métalliques interagissent avec le substrat sous-jacent. D'autre part, la liaison métallique n'est pas directionnelle et ce fait, ainsi que l'excellente plasticité des métaux à l'échelle nanométrique, suggèrent que des membranes autoportantes 2D atomiquement minces composées d'atomes métalliques pourraient tout simplement être possibles. En effet, c'est ce qu'un groupe international de chercheurs basé en Allemagne, La Pologne et la Corée du Sud ont maintenant démontré qu'il est possible d'utiliser des atomes de fer. Outre la démonstration que les atomes métalliques peuvent former des membranes 2D autonomes, il existe un intérêt important pour le potentiel de ces matériaux métalliques 2D car ils devraient avoir des propriétés exotiques.

Le groupe international de chercheurs de l'Institut Leibniz de Dresde (IFW), la Technische Universität Dresden, l'Académie polonaise des sciences, Université Sungkyunkwan et Centre de physique intégrée des nanostructures, un institut des sciences fondamentales (Corée) a utilisé des pores dans du graphène monocouche pour former des membranes 2D autonomes en fer (Fe) épaisses à un seul atome. Pour y parvenir, les chercheurs ont tiré parti de la manière dont les atomes de Fe se déplacent à la surface du graphène lorsqu'ils sont irradiés par des électrons dans un microscope électronique à transmission (MET). Lorsque ces atomes se déplacent sur la surface s'ils rencontrent un bord de graphène ouvert, ils ont tendance à s'y piéger.

Les chercheurs ont pu montrer, sur place, qu'un grand nombre d'atomes de Fe peuvent être piégés dans un pore et, de plus, se configurent de manière ordonnée pour former un cristal avec un réseau carré. L'espacement entre les atomes (constante de réseau) s'est avéré être en moyenne de 2,65 ± 0,05Å, ce qui est significativement plus grand que celui de la distance plane de l'indice de Miller (200) pour la phase cubique centrée (FCC) ou la distance plane (110) pour le BCC Fe. Ce résultat était surprenant, car généralement les réseaux rétrécissent lorsqu'ils ont un nombre de coordination inférieur, un processus connu sous le nom de contraction de surface.

Les chercheurs ont pu montrer que l'espacement de réseau élargi observé était dû à une contrainte due au décalage du réseau au niveau du bord du graphène et de l'interface de la membrane Fe. En effet, ils pouvaient observer le réseau se détendre (se contracter) vers le centre des membranes. Les recherches théoriques à l'appui des chercheurs ont montré des variations dans la structure de bande d'une membrane Fe 2D par rapport au Fe en vrac. Les différences étaient dues au fait que certaines orbitales électroniques se trouvaient dans le plan et d'autres étaient hors d'un plan, un effet qui ne se produit pas dans le Fe massif 3D. Les investigations théoriques ont également confirmé un résultat montré par des calculs théoriques antérieurs selon lesquels les membranes Fe 2D devraient avoir un moment magnétique significativement amélioré.

La démonstration de membranes Fe 2D est passionnante car elle montre que des matériaux 2D autoportants qui ne sont pas obtenus à partir de matériaux en vrac en couches peuvent être obtenus et que ces matériaux 2D peuvent être stables dans des conditions ambiantes. La technique développée par les chercheurs pourrait ouvrir la voie à la formation de nouvelles structures 2D. On peut s'attendre à ce que ces nouvelles structures 2D aient des propriétés physiques améliorées qui pourraient avoir un potentiel dans une variété d'applications. Par exemple, les propriétés magnétiques améliorées du Fe 2D atomiquement mince pourraient les rendre attrayants pour les supports d'enregistrement magnétique. Ils peuvent également avoir des propriétés intéressantes pour des applications photoniques et électroniques.