Nanomagneter opstår ved 2-D grænser

Når du klemmer atomer, du får ikke atomjuice. Du får magneter.

Ifølge en ny teori fra Rice University-forskere, ufuldkommenheder i visse todimensionelle materialer skaber de betingelser, hvorved magnetiske felter i nanoskala opstår.

Beregninger foretaget af Rice teoretisk fysiker Boris Yakobsons laboratorium viser disse ufuldkommenheder, kaldet korngrænser, i todimensionelle halvledende materialer kendt som dichalcogenider kan være magnetiske. Dette kan føre til nye strategier for det voksende felt af spintronics, som udnytter elektronernes iboende spin og deres tilhørende magnetfelter til elektroniske enheder og computere.

Opdagelsen af ​​Yakobson, hovedforfatter Zhuhua Zhang og deres kolleger blev rapporteret online i denne uge i American Chemical Society journal ACS Nano .

Dichalcogenider er hybrider, der kombinerer overgangsmetal og chalcogenatomer, som omfatter svovl, selen og tellur. Yakobson-gruppen fokuserede på halvledende molybdændisulfid (MDS), der, som atomtyk grafen, kan dyrkes via kemisk dampaflejring (CVD), blandt andre metoder. I en CVD-ovn, atomer arrangerer sig omkring et katalysatorfrø i velkendte sekskantede mønstre; imidlertid, i tilfælde af MDS, svovlatomer i gitteret svæver skiftevis over og under molybdænlaget.

Når to voksende blomster mødes, det er højst usandsynligt, at de stiller op, så atomerne finder en måde at forbinde langs grænsen, eller korngrænse. I stedet for almindelige sekskanter, atomerne tvinges til at finde ligevægt ved at danne tilstødende ringe kendt som dislokationer, med enten fem-plus-syv noder eller fire-plus-otte noder.

I grafen, som generelt betragtes som det stærkeste materiale på Jorden, disse dislokationer er svage punkter. Men i MDS eller andre dicalcogenider, de har unikke egenskaber.

"Det er lige meget, hvordan du dyrker dem, " sagde Yakobson. "Disse misorienterede områder støder til sidst sammen, og det er her du finder topologiske defekter. Det viser sig, at - og jeg kan godt lide denne mekanistiske metafor - de presser magnetisme ud af ikke-magnetisk materiale."

I tidligere arbejde, Yakobson fandt, at dislokationer skaber ledende linjer i atombredde og dreidelformede polyedre i MDS. Denne gang, holdet gravede dybere for at finde ud af, at dislokationskerner bliver magnetiske, hvor de tvinger roterende elektroner til at justere på måder, der ikke udligner hinanden, som de gør i et fejlfrit gitter. Magneternes styrke afhænger af grænsens vinkel og stiger med det antal dislokationer, der er nødvendige for at holde materialet energisk stabilt.

"Hver elektron har ladning og spin, som begge kan bære information, " sagde Zhang. "Men i konventionelle transistorer, vi udnytter kun ladningen, som i felteffekttransistorer. For nyligt fremkomne spintronic-enheder, vi er nødt til at kontrollere både ladning og spin for øget effektivitet og berigede funktioner."

"Vores arbejde antyder en ny grad af frihed - en ny kontrolknap - for elektronik, der bruger MDS, " sagde Yakobson. "Evnen til at kontrollere de magnetiske egenskaber af dette 2-D materiale gør det overlegent i forhold til grafen i visse henseender."

Han sagde, at dislokationsringene af fire og otte atomer ikke er energisk favoriserede i grafen og usandsynligt, at de forekommer der. Men i de materialer, der blander to elementer, visse korngrænsekonfigurationer vil meget sandsynligt skabe forhold, hvor lignende elementer, ønsker at undgå kontakt med hinanden, vil i stedet binde med deres kemiske modsætninger.

"Systemet undgår mono-elementære bindinger, " sagde Yakobson. "Kemien kan ikke lide det, så fire-otte giver en fordel." Disse defekter er også de stærkeste kilder til magnetisme ved visse korngrænsevinkler, han sagde; i nogle vinkler, grænserne bliver ferromagnetiske.

Holdet beviste sin teori gennem computermodeller designet til at isolere og kontrollere virkningerne af nanobåndets kanter og korngrænsedipoler, der kunne skævvride resultaterne. De fastslog også, at korngrænsevinkler mellem 13 og 32 grader fremtvinger et progressivt overlap mellem dislokationernes spins. Med tilstrækkeligt overlap, spindene bliver magnetisk koblet og udvides til elektroniske bånd, der understøtter spin-polariseret ladningstransport langs grænsen.

Nu, Yakobson sagde, "Udfordringen er at finde en måde at eksperimentelt opdage disse ting. Det er ret svært at løse det ved denne rumlige opløsning, især når nogle af de eksperimentelle metoder, som elektronstråler, ville ødelægge materialet."