Magnetisk med en knivspids brint:Forskerhold udvikler ny idé til at forbedre egenskaberne af ultratynde materialer

Magnetiske todimensionelle materialer bestående af et eller få atomlag er først for nylig blevet kendt og lover interessante anvendelser, for eksempel til fremtidens elektronik. Hidtil har det dog ikke været muligt at kontrollere disse materialers magnetiske tilstande godt nok.

Et tysk-amerikansk forskerhold ledet af Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og Dresden University of Technology (TUD) præsenterer i tidsskriftet Nano Letters , en innovativ idé, der kunne overvinde denne mangel – ved at lade 2D-laget reagere med brint.

2D-materialer er ultratynde, i nogle tilfælde bestående af et enkelt atomlag. På grund af deres særlige egenskaber byder denne stadig unge klasse af materialer på spændende muligheder for spintronics og datalagring. I 2017 opdagede eksperter en ny variant - 2D-materialer, der er magnetiske. Disse systemer har dog hidtil været vanskelige at skifte frem og tilbage mellem to magnetiske tilstande – en forudsætning for konstruktionen af ​​nye typer elektroniske komponenter – gennem målrettede kemiske påvirkninger.

For at overvinde dette problem satte et forskerhold fra HZDR og TUD under ledelse af junior forskergruppeleder Rico Friedrich deres blikke på en særlig gruppe af 2D-materialer:lag opnået fra krystaller, hvori der eksisterer relativt stærke kemiske bindinger:såkaldt non-van der Waals 2D materialer.

For 20 år siden kunne de senere fysik-nobelprisvindere Konstantin Novoselov og Andre Geim for første gang målrettet producere et 2D-materiale. Ved hjælp af klæbende tape pillede de et tyndt lag af en grafitkrystal og isolerede derved enkeltlags kulstof, såkaldt grafen. Det simple trick virkede, fordi de enkelte lag af grafit kun er løst bundet kemisk. Det er i øvrigt netop det, der gør det muligt at tegne streger på papir med en blyant.

"Først i de senere år har det været muligt at adskille individuelle lag fra krystaller ved hjælp af væskebaserede processer, hvor lagene er meget stærkere bundet end i grafit," forklarer Rico Friedrich, leder af "DRESDEN-concept" juniorforskergruppen. AutoMaT.

"De resulterende 2D-materialer er meget mere kemisk aktive end for eksempel grafen." Årsagen:disse lag har umættede kemiske bindinger på deres overflade og derfor en stærk tendens til at binde med andre stoffer.

Forvandler 35 til 4

Friedrich og hans team kom op med følgende idé:Hvis den reaktive overflade af disse 2D-materialer blev lavet til at reagere med brint, skulle det være muligt specifikt at påvirke de tynde lags magnetiske egenskaber. Det var dog uklart, hvilke af 2D-systemerne, der var særligt velegnede til dette.

For at besvare dette spørgsmål finkæmmede eksperterne deres tidligere udviklede database med 35 nye 2D-materialer og udførte detaljerede og omfattende beregninger ved hjælp af tæthedsfunktionsteori.

Udfordringen var at sikre stabiliteten af ​​de brint-passiverede systemer med hensyn til energiske, dynamiske og termiske aspekter og at bestemme den korrekte magnetiske tilstand - en opgave, der kun kunne udføres med støtte fra flere højtydende computercentre.

Da det hårde arbejde var gjort, stod fire lovende 2D-materialer tilbage. Gruppen kiggede endnu engang nærmere på disse. "Til sidst var vi i stand til at identificere tre kandidater, der kunne aktiveres magnetisk ved brintpassivering," rapporterer Friedrich. Et materiale kaldet cadmiumtitanat (CdTiO₃ ) viste sig at være særligt bemærkelsesværdig - den bliver ferromagnetisk, dvs. en permanent magnet, gennem påvirkning af brint.

De tre kandidater behandlet med brint skulle være lette at styre magnetisk og kunne derfor være velegnede til nye typer elektroniske komponenter. Da disse lag er ekstremt tynde, kan de nemt integreres i flade enhedskomponenter – et vigtigt aspekt for potentielle applikationer.

Eksperimenter er allerede i gang

"Det næste skridt er at bekræfte vores teoretiske resultater eksperimentelt," siger Rico Friedrich. "Og flere forskerhold forsøger allerede at gøre dette, for eksempel på universitetet i Kassel og Leibniz Institut for faststof- og materialeforskning i Dresden." Men også på HZDR og TUD fortsætter forskningen i 2D-materialer:blandt andet arbejder Friedrich og hans team på nye typer 2D-materialer, der kan være relevante for energikonvertering og -lagring på længere sigt.

Et fokus er på den mulige spaltning af vand til ilt og brint. Den grønne brint, der opnås på denne måde, vil så kunne bruges for eksempel som energilagringsmedium til tidspunkter, hvor der er for lidt sol- og vindkraft til rådighed.

Flere oplysninger: 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

Journaloplysninger: Nanobreve

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres