Magnetiska tvådimensionella material bestående av ett eller några atomlager har först nyligen blivit kända och lovar intressanta tillämpningar, till exempel för framtidens elektronik. Hittills har det dock inte varit möjligt att kontrollera dessa materials magnetiska tillstånd tillräckligt bra.
En tysk-amerikansk forskargrupp ledd av Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och Dresdens tekniska universitet (TUD) presenterar i tidskriften Nano Letters , en innovativ idé som skulle kunna övervinna denna brist – genom att låta 2D-skiktet reagera med väte.
2D-material är ultratunna, i vissa fall består de av ett enda atomlager. Tack vare sina speciella egenskaper erbjuder denna fortfarande unga materialklass spännande möjligheter för spintronik och datalagring. Under 2017 upptäckte experter en ny variant – 2D-material som är magnetiska. Dessa system har dock hittills varit svåra att växla fram och tillbaka mellan två magnetiska tillstånd – en förutsättning för konstruktion av nya typer av elektroniska komponenter – genom riktade kemiska påverkan.
För att övervinna detta problem satte ett forskarlag från HZDR och TUD under ledning av juniorforskargruppsledaren Rico Friedrich siktet in på en speciell grupp av 2D-material:lager erhållna från kristaller i vilka det finns relativt starka kemiska bindningar:så kallad non-van der Waals 2D-material.
För tjugo år sedan kunde de senare Nobelpristagarna i fysik, Konstantin Novoselov och Andre Geim, för första gången producera ett 2D-material på ett målinriktat sätt. Med hjälp av tejp skalade de av ett tunt lager från en grafitkristall och isolerade därigenom enskiktskol, så kallad grafen. Det enkla tricket fungerade eftersom de enskilda lagren av grafit bara är löst bundna kemiskt. Det är för övrigt precis det som gör det möjligt att rita linjer på papper med en penna.
"Först på senare år har det varit möjligt att lossa enskilda lager från kristaller med hjälp av vätskebaserade processer, där lagren är mycket starkare bundna än i grafit", förklarar Rico Friedrich, chef för juniorforskargruppen "DRESDEN-concept" AutoMaT.
"De resulterande 2D-materialen är mycket mer kemiskt aktiva än grafen, till exempel." Anledningen:dessa lager har omättade kemiska bindningar på sin yta och därför en stark tendens att binda till andra ämnen.
Friedrich och hans team kom på följande idé:om den reaktiva ytan av dessa 2D-material fick reagera med väte, borde det vara möjligt att specifikt påverka de magnetiska egenskaperna hos de tunna skikten. Det var dock oklart vilket av 2D-systemen som var särskilt lämpade för detta.
För att besvara denna fråga, kammade experterna igenom sin tidigare utvecklade databas med 35 nya 2D-material och utförde detaljerade och omfattande beräkningar med hjälp av densitetsfunktionsteori.
Utmaningen var att säkerställa stabiliteten hos de vätepassiverade systemen i termer av energetiska, dynamiska och termiska aspekter och att bestämma det korrekta magnetiska tillståndet – en uppgift som endast kunde utföras med stöd av flera högpresterande beräkningscentra.
När det hårda arbetet var klart återstod fyra lovande 2D-material. Gruppen tittade närmare på dessa ännu en gång. "Till slut kunde vi identifiera tre kandidater som kunde magnetiskt aktiveras genom vätepassivering", rapporterar Friedrich. Ett material som kallas kadmiumtitanat (CdTiO3 ) visade sig vara särskilt anmärkningsvärt – den blir ferromagnetisk, d.v.s. en permanentmagnet, genom inverkan av väte.
De tre kandidaterna som behandlats med väte ska vara lätta att kontrollera magnetiskt och skulle därför kunna vara lämpliga för nya typer av elektroniska komponenter. Eftersom dessa lager är extremt tunna kan de enkelt integreras i platta enhetskomponenter – en viktig aspekt för potentiella applikationer.
"Nästa steg är att bekräfta våra teoretiska fynd experimentellt", säger Rico Friedrich. "Och flera forskarlag försöker redan göra detta, till exempel vid universitetet i Kassel och Leibniz-institutet för forskning om fasta tillstånd och material i Dresden." Men även på HZDR och TUD fortsätter forskningen kring 2D-material:bland annat arbetar Friedrich och hans team med nya typer av 2D-material som kan vara relevanta för energiomvandling och lagring på lång sikt.
Ett fokus ligger på eventuell uppdelning av vatten till syre och väte. Det gröna vätet som erhålls på detta sätt skulle sedan kunna användas till exempel som energilagringsmedium för tillfällen då det finns för lite sol- och vindkraft tillgänglig.
Mer information: Tom Barnowsky et al, Magnetic State Control of Non-van der Waals 2D Materials by Hydrogenation, Nano Letters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c04777
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
