Magnetisch met een snufje waterstof: Onderzoeksteam ontwikkelt nieuw idee om de eigenschappen van ultradunne materialen te verbeteren

Magnetische tweedimensionale materialen bestaande uit één of enkele atoomlagen zijn pas recent bekend geworden en beloven interessante toepassingen, bijvoorbeeld voor de elektronica van de toekomst. Tot nu toe is het echter niet mogelijk geweest de magnetische toestanden van deze materialen goed genoeg te controleren.

Een Duits-Amerikaans onderzoeksteam onder leiding van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en de Technische Universiteit van Dresden (TUD) presenteert in het tijdschrift Nano-brieveneen innovatief idee dat deze tekortkoming zou kunnen ondervangen – door de 2D-laag te laten reageren met waterstof.

2D-materialen zijn ultradun en bestaan ​​in sommige gevallen uit één enkele atomaire laag. Deze nog jonge klasse materialen biedt vanwege hun bijzondere eigenschappen spannende perspectieven voor spintronica en dataopslag. In 2017 ontdekten experts een nieuwe variant: 2D-materialen die magnetisch zijn. Deze systemen zijn tot nu toe echter moeilijk heen en weer te schakelen tussen twee magnetische toestanden – een voorwaarde voor de constructie van nieuwe soorten elektronische componenten – door middel van gerichte chemische invloeden.

Om dit probleem te ondervangen heeft een onderzoeksteam van de HZDR en de TUD onder leiding van junior onderzoeksgroepleider Rico Friedrich hun zinnen gezet op een speciale groep 2D-materialen: lagen verkregen uit kristallen waarin relatief sterke chemische bindingen bestaan: zogenaamde non-van der Waals 2D-materialen.

Twintig jaar geleden konden de latere Nobelprijswinnaars voor de Natuurkunde Konstantin Novoselov en Andre Geim voor het eerst gericht een 2D-materiaal produceren. Met behulp van plakband pelden ze een dunne laag van een grafietkristal af, waardoor ze een enkele laag koolstof, het zogenaamde grafeen, isoleerden. De simpele truc werkte omdat de afzonderlijke lagen grafiet slechts losjes chemisch gebonden zijn. Dit is overigens precies wat het mogelijk maakt om met potlood lijnen op papier te tekenen.

“Pas de laatste jaren is het mogelijk geweest om individuele lagen van kristallen los te maken met behulp van op vloeistof gebaseerde processen, waarbij de lagen veel sterker gebonden zijn dan bij grafiet”, legt Rico Friedrich, hoofd van de junior onderzoeksgroep “DRESDEN-concept” uit. Automaat.

“De resulterende 2D-materialen zijn chemisch veel actiever dan bijvoorbeeld grafeen.” De reden: deze lagen hebben onverzadigde chemische bindingen op hun oppervlak en daardoor een sterke neiging om zich met andere stoffen te binden.

Van 35 4 maken

Friedrich en zijn team kwamen met het volgende idee: als het reactieve oppervlak van deze 2D-materialen zou reageren met waterstof, zou het mogelijk moeten zijn om specifiek de magnetische eigenschappen van de dunne lagen te beïnvloeden. Het was echter onduidelijk welke van de 2D-systemen hiervoor bijzonder geschikt waren.

Om deze vraag te beantwoorden, hebben de experts hun eerder ontwikkelde database van 35 nieuwe 2D-materialen doorzocht en gedetailleerde en uitgebreide berekeningen uitgevoerd met behulp van de dichtheidsfunctionaaltheorie.

De uitdaging was om de stabiliteit van de waterstofgepassiveerde systemen te garanderen in termen van energetische, dynamische en thermische aspecten en om de juiste magnetische toestand te bepalen – een taak die alleen kon worden volbracht met de steun van verschillende krachtige rekencentra.

Toen het harde werk gedaan was, bleven er vier veelbelovende 2D-materialen over. De groep heeft deze nog eens nader bekeken. “Uiteindelijk konden we drie kandidaten identificeren die magnetisch geactiveerd konden worden door waterstofpassivering”, meldt Friedrich. Een materiaal genaamd cadmiumtitanaat (CdTiO₃) bleek bijzonder opmerkelijk te zijn: het wordt ferromagnetisch, dat wil zeggen een permanente magneet, door de invloed van waterstof.

De drie met waterstof behandelde kandidaten moeten magnetisch eenvoudig te besturen zijn en zouden daarom geschikt kunnen zijn voor nieuwe soorten elektronische componenten. Omdat deze lagen extreem dun zijn, kunnen ze gemakkelijk worden geïntegreerd in platte apparaatcomponenten – een belangrijk aspect voor potentiële toepassingen.

Er zijn al experimenten aan de gang

“De volgende stap is het experimenteel bevestigen van onze theoretische bevindingen”, zegt Rico Friedrich. “En verschillende onderzoeksteams proberen dit al te doen, bijvoorbeeld aan de Universiteit van Kassel en het Leibniz Instituut voor Solid State and Materials Research in Dresden.” Maar ook bij HZDR en TUD gaat het onderzoek naar 2D-materialen door: Friedrich en zijn team werken onder meer aan nieuwe soorten 2D-materialen die op de lange termijn relevant kunnen zijn voor energieconversie en -opslag.

Eén focus ligt op de mogelijke splitsing van water in zuurstof en waterstof. De zo verkregen groene waterstof zou dan bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden als energieopslagmedium voor de momenten dat er te weinig zonne- en windenergie beschikbaar is.