Rice University forskare har förenklat syntesen av en unik, nästan tvådimensionell form av järnoxid med starka magnetiska egenskaper som är lätt att stapla ovanpå andra 2D-material.

Materialet, epsilon järn(III)oxid, visar lovande som en byggsten för exotiska strukturer i nanoskala som kan vara användbara för spintroniska enheter, elektroniska eller lagringsapplikationer som drar fördel av inte bara laddningen av elektroner utan även deras spinntillstånd.

Forskare vid Rice's Brown School of Engineering och Wiess School of Natural Sciences rapporterade i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver att de hade producerat oxidflingor genom enkel kemisk ångavsättning. Flingorna är lätta att överföra från sina tillväxtsubstrat och behåller sina magnetiska egenskaper under lång tid vid rumstemperatur.

"Järnoxid är inget nytt, " sa Rice material scientist och co-rektor utredare Jun Lou. "Men denna epsilon fas är mycket sällsynt. Vid epitaxiell tillväxt (där kristallen är i linje med ytans atomära struktur), bindningen är stark och kristaller är svåra att överföra. Men en av egenskaperna hos denna kristallstruktur är att den har relativt svag interaktion med substratet. Du kan plocka upp den och sätta den på olika saker."

"Ett ultratunt magnetiskt material som detta, som bibehåller sina magnetiska egenskaper upp till rumstemperatur och kan integreras med andra material genom att stapla, är väldigt spännande, sade risfysikern Doug Natelson, en co-rektor utredare med Lou och Scott Crooker från Los Alamos National Laboratory. "Det kommer att vara en bra testplats för att se hur magnetiska egenskaper verkar över gränssnitt, en viktig aspekt som är relevant för framtida informationsteknik."

Lou sa att materialet tekniskt sett inte är 2D, på grund av den prismliknande ortorombiska atomstrukturen som ger gittret dess ovanliga egenskaper. "Men i grunden, den har alla funktioner som en 2D-magnet, " han sa.

Han sa att andra 2D-magnetiska material som upptäckts hittills har två negativa egenskaper:Deras Curie-temperatur är långt under rumstemperatur, vilket innebär att materialen måste kylas för att bevara sina magnetiska effekter, eller så är materialen inte strukturellt stabila och sönderdelas snabbt under omgivande förhållanden.

"Vårt material har inget av dessa problem, "Sade Lou. "Det är luftstabilt och Curie-temperaturen är något över rumstemperaturen. Om vi ​​testar materialet vi odlade för ett år sedan nu, det visar fortfarande samma beteende."

Om materialet var lika tjockt som en kylskåpsmagnet, den skulle också fastna. "Den magnetiska effekten är mycket stark, runt 300 milliTeslas, "Sa Lou. "Men detta material kan inte existera i bulk. Det kommer att fasa ut epsilon till någon annan typ av oxid."

Forskarna odlade de släta flingorna, så tunn som 5,1 nanometer, på kiseldioxid- och glimmersubstrat. De testade framgångsrikt dess förmåga att binda via den svaga van der Waals-kraften med grafen. Flingornas magnetiska egenskaper, mätt i Los Alamos, visade sig vara stabila vid rumstemperatur med ett magnetfält mellan 200 och 400 milliTeslas.

Forskningen är resultatet av ett tvärvetenskapligt Rice IDEA-förslag av Lou, Natelson och Rice kemisten Gustavo Scuseria för att undersöka de magnetiska egenskaperna hos 2D-material. De planerar att kombinera oxiden med fler 2D-material för att se hur dess magnetfält påverkar egenskaperna hos heterostrukturer. "Denna gränssnittskopplingsprocess kommer att bli mycket intressant för oss, " sa Lou.

Risalumnen Jiangtan Yuan, nu postdoktor vid Northwestern University, och Andrew Balk från National High Magnetic Field Laboratory i Los Alamos, New Mexico, är medförfattare till studien. Medförfattare är biträdande forskningsprofessor Hua Guo, doktorander Qiyi Fang och Xuanhan Zhao, undergraduate Sahil Patel och forskningsspecialist Tanguy Terlier från Shared Equipment Authority på Rice. Crooker är en teknisk personal vid National High Magnetic Field Laboratory. Natelson är professor i fysik och astronomi, av elektro- och datateknik och av materialvetenskap och nanoteknik. Lou är professor i materialvetenskap och nanoteknik och i kemi.