Nanomicroscoop geeft eerste directe waarneming van de magnetische eigenschappen van 2-D materialen

Australische onderzoekers en hun collega’s uit Rusland en China hebben aangetoond dat het mogelijk is om de magnetische eigenschappen van ultradunne materialen rechtstreeks te bestuderen, via een nieuwe microscopietechniek die de deur opent naar de ontdekking van meer tweedimensionale (2-D) magnetische materialen, met allerlei mogelijke toepassingen.

Gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialenzijn de bevindingen significant omdat de huidige technieken die worden gebruikt om normale (driedimensionale) magneten te karakteriseren, niet werken op 2D-materialen zoals grafeen vanwege hun extreem kleine formaat – een paar atomen dik.

“Tot nu toe was er geen manier om precies te zeggen hoe sterk magnetisch een 2D-materiaal was”, zei Dr. Jean-Philippe Tetienne van de University of Melbourne School of Physics en Centre for Quantum Computation and Communication Technology.

“Dat wil zeggen, als je het 2D-materiaal op de deur van je koelkast zou plaatsen als een gewone koelkastmagneet, hoe sterk het er dan op blijft plakken. Dit is de belangrijkste eigenschap van een magneet.”

Om het probleem aan te pakken, gebruikte het team, onder leiding van professor Lloyd Hollenberg, een groothoek stikstof-vacaturemicroscoop, een tool die ze onlangs hebben ontwikkeld en die de nodige gevoeligheid en ruimtelijke resolutie heeft om de sterkte van 2D-materiaal te meten.

“In wezen werkt de techniek door minuscule magnetische sensoren (zogenaamde stikstof-vacaturecentra, die atoomdefecten zijn in een stuk diamant) extreem dicht bij het 2D-materiaal te brengen om het magnetische veld ervan te voelen,” Professor Hollenberg uitgelegd.

Om de techniek te testen, kozen de wetenschappers ervoor om vanadiumtrijodide (VI3) te bestuderen, omdat bekend was dat grote 3D-brokken van VI3 al sterk magnetisch zijn.

Met hun speciale microscoop hebben ze nu aangetoond dat 2D-vellen van VI3 ook magnetisch zijn, maar ongeveer twee keer zo zwak als in de 3D-vorm. Met andere woorden, het zou twee keer zo gemakkelijk zijn om ze van de koelkastdeur te krijgen.

“Dit was een beetje een verrassing, en we proberen momenteel te begrijpen waarom de magnetisatie zwakker is in 2D, wat belangrijk zal zijn voor toepassingen”, zei Dr. Tetienne.

Professor Artem Oganov van het Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie in Moskou (Skoltech) zei dat de bevindingen het potentieel hebben om nieuwe technologie te activeren.

“Nog maar een paar jaar geleden twijfelden wetenschappers eraan dat tweedimensionale magneten überhaupt mogelijk zijn. Met de ontdekking van tweedimensionaal ferromagnetisch VI3 ontstond een nieuwe opwindende klasse van materialen. Nieuwe materiaalklassen betekenen altijd dat er nieuwe technologieën zullen verschijnen, zowel voor het bestuderen van dergelijke materialen als voor het benutten van hun eigenschappen. “

Het internationale team is nu van plan hun microscoop te gebruiken om andere 2-D magnetische materialen te bestuderen, evenals complexere structuren, inclusief die waarvan wordt verwacht dat ze een sleutelrol spelen in toekomstige energie-efficiënte elektronica.