Risuniversitetsteoretiker har upptäckt magnetfält (blått) skapas vid korngränser i tvådimensionella dikalkogenider. Dislokationer längs dessa gränser, där atomer kastas ur sina vanliga sexkantiga mönster, tvinga elektronen snurrar till inriktningar som gynnar magnetism. Upphovsman:Zhuhua Zhang/Rice University
När du klämmer på atomer, du får inte atomjuice. Du får magneter.
Enligt en ny teori av forskare från Rice University, brister i vissa tvådimensionella material skapar förutsättningarna för magnetiska fält i nanoskala.
Beräkningar från laboratoriet av Rice teoretiska fysikern Boris Yakobson visar dessa brister, kallas spannmålsgränser, i tvådimensionella halvledande material som kallas dikalkogenider kan vara magnetiska. Detta kan leda till nya strategier för det växande området spintronik, som drar fördel av elektronernas egenvridning och deras tillhörande magnetfält för elektroniska och beräknande enheter.
Upptäckten av Yakobson, huvudförfattaren Zhuhua Zhang och deras kollegor rapporterades online i veckan i American Chemical Society journal ACS Nano .
Dikalkogenider är hybrider som kombinerar övergångsmetall och kalkogenatomer, som inkluderar svavel, selen och tellur. Yakobson -gruppen fokuserade på halvledande molybdendisulfid (MDS) som, som atomtjock grafen, kan odlas via kemisk ångavsättning (CVD), bland andra metoder. I en CVD -ugn, atomer ordnar sig runt ett katalysatorfrö till välbekanta sexkantiga mönster; dock, när det gäller MDS, svavelatomer i gallret svävar omväxlande ovanför och under molybdenlagret.
När två växande blommor möts, det är högst osannolikt att de ställer upp, så atomerna hittar ett sätt att ansluta längs gränsen, eller spannmålsgräns. Istället för vanliga hexagoner, atomerna tvingas hitta jämvikt genom att bilda angränsande ringar som kallas dislokationer, med antingen fem-plus-sju noder eller fyra-plus-åtta noder.
I grafen, som allmänt anses vara det starkaste materialet på jorden, dessa dislokationer är svaga punkter. Men i MDS eller andra dikalkogenider, de har unika egenskaper.
I ett perfekt ark med molybden -disulfid, till vänster, svavel (gula) atomer och molybden (blå) atomer visas i ett perfekt sexkantigt mönster sett uppifrån, även om svavelatomerna flyter strax ovanför och under molybdenlagret. När två ark går ihop i en vinkel, höger, dislokationer stör sexkantarna. Vid dessa punkter, enligt ny forskning vid Rice University, magnetiska fält kan bildas. Upptäckten kan öka forskningen kring spintronik för elektronik och datorer. Upphovsman:Zhuhua Zhang/Rice University
"Det spelar ingen roll hur du odlar dem, "Sa Yakobson." Dessa felorienterade områden kolliderar så småningom, och det är där du hittar topologiska defekter. Det visar sig att - och jag gillar den här mekanistiska metaforen - de klämmer ut magnetism ur icke -magnetiskt material. "
I tidigare arbeten, Yakobson fann att dislokationer skapar ledande linjer med atombredd och dreidelformade polyeder i MDS. Den här gången, laget grävde djupare för att upptäcka att dislokationskärnor blir magnetiska där de tvingar snurrande elektroner att anpassa sig på ett sätt som inte avbryter varandra, som de gör i ett felfritt gitter. Magneternas styrka beror på gränsens vinkel och stiger med antalet dislokationer som krävs för att hålla materialet energiskt stabilt.
"Varje elektron har laddning och snurr, som båda kan bära information, "Sade Zhang." Men i konventionella transistorer, vi utnyttjar endast avgiften, som i fälteffekttransistorer. För nyutvecklade spintronic -enheter, vi måste kontrollera både laddning och centrifugering för ökad effektivitet och berikade funktioner. "
Atomförskjutningar kan bli magnetiskt laddade när tvådimensionella ark med molybden-disulfid och andra dikalkogenider möts i en vinkel, enligt beräkningar av teoretiker vid Rice University. Korngränserna tvingar ut atomer ur sina sexkantiga mönster (vänster) och hindrar elektronspinn från att avbryta varandra, skapa magnetfält i nanoskala (höger, i blått) i processen. Upphovsman:Zhuhua Zhang/Rice University
"Vårt arbete föreslår en ny grad av frihet - en ny kontrollknapp - för elektronik som använder MDS, "Yakobson sa." Möjligheten att kontrollera de magnetiska egenskaperna hos detta 2-D-material gör det överlägset grafen i vissa avseenden. "
Han sa att dislokationsringarna på fyra och åtta atomer inte är energiskt gynnade i grafen och osannolikt att de kommer att inträffa där. Men i materialen som blandar två element, vissa korngränskonfigurationer kommer sannolikt att skapa förhållanden där liknande element, som vill undvika kontakt med varandra, kommer istället att binda sig till sina kemiska motsatser.
"Systemet undviker mono-elementära bindningar, "Sa Yakobson." Kemin gillar det inte, så fyra-åtta erbjuder en fördel. "Dessa defekter är också de starkaste källorna till magnetism vid vissa korngränsvinklar, han sa; i vissa vinklar, gränserna blir ferromagnetiska.
Teamet bevisade sin teori genom datormodeller avsedda att isolera och kontrollera effekterna av nanoribbons kanter och korngränsdipoler som kan snedvrida resultaten. De bestämde också att korngränsvinklar mellan 13 och 32 grader tvingar fram en progressiv överlappning mellan dislokationernas snurr. Med tillräcklig överlappning, snurren blir magnetiskt kopplade och breddas till elektroniska band som stöder spinnpolariserad laddningstransport längs gränsen.
Nu, Yakobson sa, "Utmaningen är att hitta ett sätt att experimentellt upptäcka dessa saker. Det är ganska svårt att lösa det med denna rumsliga upplösning, särskilt när några av de experimentella metoderna, som elektronstrålar, skulle förstöra materialet. "
