En karta producerad med magnetisk mikroskopi visar virvelliknande spinnmönster som kallas skyrmioner som förekommer i ett tunt, skiktat 2D-material. Berkeley Labs forskare säger att materialet skulle kunna utveckla mindre, snabbare, energieffektiv elektronik, såsom minnesenheter med låg effekt. Kredit:Berkeley Lab
Tvådimensionella magnetiska material har hyllats som byggstenar för nästa generation av små, snabba elektroniska enheter. Dessa material, gjorda av lager av kristallina ark bara några atomer tjocka, får sina unika magnetiska egenskaper från de inneboende kompassnålsliknande snurrorna hos deras elektroner. Arkens tunna atomskaliga gör att dessa snurr kan manipuleras på de finaste skalorna med hjälp av externa elektriska fält, vilket potentiellt leder till nya lågenergidatalagrings- och informationsbehandlingssystem. Men att veta exakt hur man designar 2D-material med specifika magnetiska egenskaper som kan manipuleras exakt förblir en barriär för deras tillämpning.
Nu, som rapporterats i tidskriften Science Advances , har forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), UC Berkeley, Cornell och Rutgers University upptäckt skiktade 2D-material som kan vara värd för unika magnetiska egenskaper som förblir stabila vid rumstemperatur och så småningom kan användas i framtida vardagsenheter. Bilder i atomskala av materialet avslöjar de exakta kemiska och strukturella egenskaperna som är ansvariga för dessa egenskaper och deras stabilitet.
Berkeley Lab-forskare har en meritlista med att identifiera oväntade magnetiska egenskaper i atomärt tunna lager av bulkkristaller, många baserade på halvledarmaterial dopade med metallatomer. UC Berkeley doktorand Tyler Reichanadter, en studie medförfattare, beräknade hur den elektroniska strukturen hos vanliga 2D-material kan förändras genom att byta ut olika atomer, i det här fallet en del av järnet mot kobolt. Detta speciella utbyte resulterar i en kristallstruktur som inte kan läggas ovanpå dess spegelbild, och leder till möjligheten till exotiska, virvelliknande spin-arrangemang som kallas skyrmioner, som utforskas som byggstenar för framtida lågeffektsdatorer.
Medförfattarna till studien Hongrui Zhang, en postdoktor vid UC Berkeley, och Xiang Chen, en postdoktor vid Berkeley Lab och UC Berkeley, använde kristalltillväxtanläggningar för att utforska några av de mest lovande 2D-materialen, inklusive koboltdopat järn germaniumtelluride ( Fe5 GeTe2 ) i form av nanoflingor. Fe5 GeTe2 är ett typiskt 2D-magnetiskt material på grund av sin unika skiktade struktur och kristallsymmetri, med järnatomer som upptar specifika punkter i kristallstrukturen. De upptäckte att genom att ersätta exakt hälften av järnatomerna med koboltatomer – vars något annorlunda elektroniska konfiguration innebar att atomerna naturligt ockuperade lite olika punkter i kristallen – kunde de spontant bryta materialets naturliga kristallsymmetri, vilket i sin tur förändrade dess spinnstruktur.
"Det är inte lätt att göra. Dessa strukturer tar dagar eller månader att syntetisera, och vi gick igenom hundratals kristaller", säger Chen, som är expert på syntes av sådana komplexa material.
Medförfattarna Sandhya Susarla, en postdoktoral forskare från Berkeley Lab, och Yu-tsun Shao, en postdoktor vid Cornell, bekräftade strukturen i atomskala och den elektroniska strukturen hos de komplexa materialen med hjälp av elektronmikroskopi vid National Center for Electron Microscopy vid Molecular Foundry.
"Detta är ren upptäcktsvetenskap och helt oväntat", säger Ramamoorthy Ramesh, en senior vetenskapsman vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och den senior motsvarande författaren på tidningen. "Teamet försökte manipulera elektronisk struktur och fann att genom att bryta symmetrin kunde materialet vara värd för skyrmioner."
Zhang använde magnetisk kraftmikroskopi för att avbilda skyrmionerna över stora områden av sådana kristaller. Genom att följa skyrmionernas utveckling som en funktion av temperatur och magnetfält fastställde forskarna de fysiska förhållanden som ledde till deras stabilitet. Vidare, genom att föra en elektrisk ström över materialet, fann forskarna att de kunde få skyrmionerna att skifta i materialet, oberoende av de atomer som ledde till att de bildades i första hand.
Slutligen utförde David Raftrey, en doktorandforskare från Berkeley Lab och UC Santa Cruz, mikromagnetiska simuleringar för att tolka de observerade elektroniska mönstren i dessa material.
Eftersom de skiktade materialen kan tillverkas med ett brett spektrum av tjocklekar vid rumstemperatur och högre, tror forskarna att deras magnetiska egenskaper kan förbättras och utökas. "Vi är intresserade av mikroelektroniken, men grundläggande frågor om materialens fysik inspirerar oss verkligen", säger Zhang. + Utforska vidare
