Figur 1. Van der Waals Cr2Ge2Te6/In2Se3 heterostruktur och magnetoelektrisk koppling. Kredit:UNIST
Multiferroics definieras som material som samtidigt uppvisar ferromagnetism och ferroelektricitet. Sådana egenskaper gör dessa material till lovande byggstenar av nya multifunktionella material för en mängd olika tillämpningar. Dock, det är fortfarande en stor utmaning att förbättra ferromagnetismen och ferroelektriciteten hos multiferroics.
En ny studie, genomförd gemensamt av professor Geunsik Lee vid School of Natural Science vid UNIST och professor Xiang Zhang vid UC Berkeley i USA, visade att van der Waals (vdW) styrkor kan användas för att lösa ett sådant problem, har därför väckt stor akademisk uppmärksamhet.
I deras studie, publicerad i tidningen Naturkommunikation , forskarna visade möjligheten att realisera ett nytt koncept med 2-D heterostruktur multiferroics. Den föreslagna metoden är ett nytt sätt att förbättra interaktionen mellan två egenskaper genom att tätt binda ferromagnetiska och ferroelektriska material via kemisk bindning. Metoden, som har testats av forskarna via deras teoretiska beräkningar, använda kemisk bindning av vdW-krafterna.
Multiferroiska material, som visar samtidig ferroelektrisk och magnetisk ordning, kan styra magnetismen med ett elektriskt fält eller vice versa. Tekniken för att kontrollera magnetismen med elektriska fält är särskilt viktig för utvecklingen av högdensitetsminnen. För att implementera denna teknik, ju större växelverkan mellan dessa ferroiska ordrar, desto bättre är det.
Omfattande studier har gjorts på multiferroics, som innehåller både ferromagnetism och ferroelektricitet i ett enda material. Än, alla dessa material har misslyckats med att uppvisa multiferroiskt beteende vid rumstemperatur. Av denna anledning, särskild uppmärksamhet har uppmärksammats på den nya metoden för att implementera 2-D heterostruktur multiferroiker, där ferroelektriska material och magnetiska material kombineras.
I studien, forskargruppen har föreslagit det nya konceptet "Icke-kovalent 2-D heterostruktur multiferroics" genom att stapla upp atomlager av ferromagnetisk Cr 2 Ge 2 Te 6 och ferroelektrisk in 2 Se 3 , vilket leder till allatomär multiferroicitet. De undersökte också experimentellt och teoretiskt de ferromagnetiska och ferroelektroniska egenskaperna hos 2-D heterostruktur multiferroics. Denna kombinerade experimentella och teoretiska undersökning avslöjar att den nya multiferroiken kan ha full kontroll över magnetismen genom elektriska fält, även vid gränsytan mellan de två materialen.
Här, krafterna som forskarna antog var inte den kovalenta bindningen, men Van der Waals-styrkorna. Termen "Van der Waals kraft" hänvisar till momentana attraktioner mellan molekyler, som diatomiska fria grundämnen och individuella atomer. Dessa krafter kan vara attraktiva eller frånstötande, beroende på avståndet mellan de inblandade molekylerna.
Forskningen använde de första principerna DFT-beräkningar på en vdW-heterostruktur bestående av ferromagnetisk Cr 2 Ge 2 Te 6 och ferroelektrisk in 2 Se 3 monolager. Genom att vända den elektriska polariseringen av In2Se3, den beräknade magnetokristallina anisotropin av Cr 2 Ge 2 Te 6 växlar mellan lättaxel och lättplan (dvs. slå på/av den ferromagnetiska ordningen), som utlovar en ny design av magnetiskt minne. Vidare, I 2 Se 3 blir magnetisk ferroelektrik, med omkopplingsbara spinnpolarisationer enligt sin egen elektriska polarisation.
"Teoretiskt sett, vi har bevisat att den skiktade ferroelektriska och ferromagneten kan kopplas kemiskt med van der Waals krafter för att ändra de magnetiska egenskaperna till ett mycket större värde än de konventionella, ", säger professor Geunsik Lee. "Vi föreställer oss att multiferroicitetsdualiteten potentiellt berikar friheten för lagerupplöst datalagring och informationsbehandling på grund av de olika magnetoelektriska och magneto-optiska egenskaperna hos de ingående lagren."
