På jagt efter ultratynde materialer ved hjælp af data mining:Undersøgelse identificerer omfattende sæt nye 2D-materialer

Todimensionelle (2D) materialer har ekstraordinære egenskaber. De består normalt af atomlag, der kun er nogle få nanometer tykke og er særligt gode til at lede varme og elektricitet, for eksempel. Til mange videnskabsmænds forbløffelse blev det for nylig kendt, at 2D-materialer også kan eksistere på basis af visse metaloxider. Disse oxider er af stor interesse inden for områder som nanoelektronikapplikationer. Et tysk-amerikansk forskerhold, ledet af Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), er nu lykkedes med at forudsige otteogtyve repræsentanter for denne nye klasse af materialer ved at bruge datadrevne metoder.

Der er en væsentlig forskel mellem konventionelle 2D-materialer såsom grafen og de nye materialer, der kan syntetiseres fra metaloxider såsom ilmenit og chromit. Sidstnævnte danner ikke svage vekselvirkninger - det der er kendt som van der Waals-kræfter - i deres krystalstruktur, men danner i stedet stærkere ionbindinger, der peger i alle retninger. Af denne grund er det kun få eksperimenter, der indtil videre er lykkedes med at løsrive nye 2D-materialer fra 3D-materialeblokke. Resultaterne af undersøgelsen kan nu føre til succes i yderligere forsøg af denne type. Ved hjælp af teoretiske metoder forudsiger forskerne, hvilke forbindelser der rent faktisk er umagen værd til eksperimentel forskning.

"Med vores datadrevne metode byggede vi på den første tilgængelige information fra de indledende eksperimenter. Ud fra denne information udviklede vi strukturelle prototyper og kørte dem derefter gennem en enorm materialedatabase som et filterkriterium," forklarer lederen af ​​undersøgelsen, Dr. Rico Friedrich fra HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "Den største udfordring var at finde ud af, hvorfor disse materialer så let danner 2D-systemer med bestemte oxider. Ud fra disse oplysninger var vi i stand til at udvikle et gyldigt generaliseret søgekriterium og systematisk karakterisere de identificerede kandidater i henhold til deres egenskaber."

Til dette formål anvendte forskerne primært det, der er kendt som "density functional theory", en praktisk beregningsmetode til elektroniske strukturer, der er meget udbredt i kvantekemi og i fysik af kondenseret stof. De samarbejdede med adskillige tyske højtydende datacentre til de nødvendige databehandlingsfaser. En afgørende faktor var at bestemme eksfolieringsenergien:denne definerer, hvor meget energi der skal bruges for at fjerne et 2D-lag fra overfladen af ​​et materiale.

Materialedatabase med ca. 3,5 millioner poster

Undersøgelsen brugte også AFLOW materialedatabasen (Automatic Flow for Materials Discovery). Det har været under udvikling i mere end tyve år af prof. Stefano Curtarolo fra Duke University (USA), som også bidrog som forfatter til undersøgelsen. AFLOW betragtes som en af ​​de største materialevidenskabelige databaser og klassificerer cirka 3,5 millioner forbindelser med mere end 700 millioner beregnede materialeegenskaber.

Sammen med den tilhørende software gav databasen i sidste ende forskerne ikke kun den kemiske sammensætning af 28 2D-kompatible materialer, men gjorde dem også i stand til at studere deres egenskaber, som er bemærkelsesværdige i elektronisk og magnetisk såvel som topologisk henseende. Ifølge Rico Friedrich kunne deres specifikke magnetiske overfladestrukturer gøre dem særligt attraktive til spintroniske applikationer, såsom til datalagring i computere og smartphones.

"Jeg er sikker på, at vi kan finde yderligere 2D-materialer af denne art," siger Dresden-fysikeren og kaster et blik ind i fremtiden. "Med nok kandidater kan der måske endda oprettes en dedikeret database, der er helt specialiseret i denne nye klasse af materialer." HZDR-forskerne forbliver i tæt kontakt med kolleger fra et emnerelateret forskningscenter (Sonderforschungsbereich) ved TU Dresden samt med den førende forskergruppe for syntetisering af nye 2D-systemer i USA. Sammen med begge partnere planlægger de at forfølge yderligere undersøgelser af de mest lovende forbindelser. + Udforsk yderligere

Fremskridt og udsigter i magnetiske topologiske materialer