Fysiker vid University of Groningen och FOM Foundation, ledd av professor Beatriz Noheda, har upptäckt en ny manganförening som produceras av spänningar i kristallstrukturen av terbiummanganoxid. Tekniken de använde för att skapa detta nya material kunde öppna vägen för nya nanoskala kretsar. Deras resultat publicerades den 20 november 2014 i tidskriften Natur .
Forskarna odlade ett mycket tunt lager (högst några dussin atomer tjocka) av terbiummanganoxidkristallen på ett tjockare baslager av strontiumtitanoxid. Detta baslager påverkar tillväxten av det tunna skiktet. När bitar av växande kristall möts, ett gränssnitt eller 'domänvägg' utvecklas, och kristallstrukturen utsätts för dragspänning i denna vägg.
Nanoreaktor
Tills för några år sedan, materialforskare när de skapade mycket tunna lager försökte förhindra att domänväggar uppstår på grund av denna dragspänning. "Domänväggar sågs som förorening", säger Noheda. Sedan blev det klart att spänningen i kristallstrukturen faktiskt investerade materialet med nya egenskaper, och, som nu blivit uppenbart, domänväggen kan bli en kemisk reaktor i nanoskala.
Väggar
Groningen -forskarna har fått mycket expertis för att kontrollera hur många domänväggar som utvecklas. Baslagrets sammansättning påverkar detta, till exempel, och ju tunnare kristallskiktet är, desto större antal väggar som uppstår.
"Förutom att styra hur många väggar som utvecklas, en ytterligare stor utmaning var att analysera exakt vad som händer i en vägg, eftersom detta i allmänhet bara är en atom tjockt ", säger Noheda. Ett sätt att analysera materialet i väggen är att jämföra prover som består av olika antal väggar. Forskarna såg att ju fler väggar det fanns, ju mer magnetiskt materialet var. "Direkt observation av ett magnetfält är ännu inte möjligt på atomskala, särskilt inte i en isolator ", säger Noheda.
Sicksacklinje
En avancerad atomupplöst kemisk analys användes för att visa att kristallens sammansättning i väggarna hade förändrats:på specifika platser hade en manganatom tagit platsen för en större terbiumatom. Terbiumatomen bildar ett slags sicksacklinje i kristallstrukturen. Två motsatta sicksack möts i domänväggen, vilket gör att några av terbiumatomerna kommer mycket nära. "Detta skapar betydande spänningar, terbiumatomen försvinner från kristallen, och en mindre manganatom tar sin plats ", förklarar Noheda. I motsats till den normala kristallen, denna extra mangan gör väggen magnetisk.
Ny kemi
Professor Maxim Mostovoy modellerade magnetismen, och hans resultat matchar resultaten av experimentet:"En bindning som ännu inte har beskrivits uppstår mellan fem manganatomer. Vi ser därför ny kemi i domänväggen." Detta gör domänväggen till en slags kemisk reaktor i nanoskala. "Och vi misstänker att denna typ av nya bindningar kommer att uppstå i alla kristaller med denna sicksackstruktur."
Kretsar
Noheda hoppas på ytterligare forskning att skapa väggar med potential att bilda kretsar. Minutkretsar med endast några atomer i storlek kan sedan utvecklas. "Men jag hoppas också att kemister kommer att börja arbeta med dessa nanoreaktorer."
Beatriz Noheda och Maxim Mostovoy arbetar båda på Zernike Institute for Advanced Materials, del av University of Groningen's fakultet för matematik och naturvetenskap. Forskningen finansierades av NanoNextNL och av FOM Foundation.
