De 2D-kristallen van natuurkundigen zijn veelbelovend voor geavanceerde elektronica

Een team van onderzoekers, geleid door wetenschappers van de Universiteit van Texas in Dallas, heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om uitzonderlijk grote, hoogwaardige kristallen te laten groeien die kunnen helpen geavanceerde elektronica, zoals spintronische en magnetische opto-elektronische apparaten, te realiseren.

Zeer dunne lagen – slechts één of twee atomen dik – kunnen gemakkelijk van de bulkkristallen worden geëxfolieerd. Deze tweedimensionale lagen vertonen verrassende magnetische eigenschappen en zijn zeer stabiel in lucht bij kamertemperatuur, waardoor ze interessant zijn voor gebruik in apparaten die gestapelde lagen van verschillende materialen bevatten.

Dr. Wenhao Liu, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij de afdeling Natuurkunde van de School of Natural Sciences and Mathematics, ontwikkelde de vaste-dampsynthesetechniek om chroomsulfidebromidekristallen te laten groeien, die doorgaans worden gemaakt via de chemische damptransportmethode (CVT). . Het artikel wordt gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.

“Hoewel dit materiaal zelf niet nieuw is, onderscheidt onze methode om het te maken zich van andere methoden”, zegt Liu, die werkt in het laboratorium van Dr. Bing Lv, universitair hoofddocent natuurkunde en een overeenkomstige auteur van het rapport over deze nieuwe techniek. . “Onze methode is eenvoudiger, directer en levert veel grotere kristallen van hogere kwaliteit op dan de conventionele CVT-methode.”

De synthesetechniek, die het eenvoudige gebruik van een bakoven inhoudt, produceert kristallen van 1 tot 2 centimeter, wat 10 keer groter is dan die geproduceerd met andere methoden, zei Lv (uitgesproken als “liefde”).

De magnetische eigenschappen van geëxfolieerde lagen verrasten het onderzoeksteam.

Elk elektron in een materiaal heeft een eigenschap genaamd spin, die omhoog of omlaag kan zijn, en de oriëntatie van spins bepaalt de magnetische eigenschappen van het materiaal. Als alle spins bijvoorbeeld in dezelfde richting zijn uitgelijnd, is het materiaal ferromagnetisch, terwijl wanneer spins parallel maar in tegengestelde richtingen – antiparallel – zijn uitgelijnd, het materiaal antiferromagnetisch is.

“Meestal vindt deze magnetische ordening – de uitlijning van spins – onmiddellijk plaats in een materiaal, ” zei Lv. “Het unieke van ons 2D-materiaal is dat de antiferromagnetische orde toeneemt en zich in drie fasen door het kristal verspreidt naarmate we de temperatuur verlagen.”

Magnetische anomalieën – verhogingen van de grootte van de ferromagnetische orde – treden op in het materiaal bij 185 kelvin (minus 126,7 graden Fahrenheit), 156 kelvin (minus 178,9 graden Fahrenheit) en 132 kelvin (minus 222 graden Fahrenheit).

“Dit is de eerste keer dat dit fenomeen is waargenomen in chroomsulfidebromidekristallen. Ik geloofde het niet toen we dit voor het eerst zagen, omdat het indruist tegen ons intuïtieve denken, ” zei Lv. “Het is een interessante observatie, omdat dit soort ‘zacht’ magnetisme nuttig kan zijn in bepaalde magnetische geheugenapparaten.”

Het kristal is stabiel in de lucht, een handige en essentiële eigenschap voor toekomstig onderzoek en mogelijk gebruik in hoogwaardige apparaten, zei Liu.

“Typische kristallen kunnen reageren met water of zuurstof in de lucht, wat de chemische samenstelling of structuur van het kristal verandert”, zegt Liu, die mede-hoofdauteur is van het rapport. “Daarom moeten kristallen in veel gevallen worden afgedekt met een inert materiaal. Ons kristal verwijdert die barrière, waardoor het gemakkelijker wordt om mee te werken voor de fabricage en ontwikkeling van nieuwe apparaten.”