Nieuwe methoden genereren en versterken het magnetisme van 2D-materialen

Met slechts een paar atomen dikte bieden 2D-materialen revolutionaire mogelijkheden voor nieuwe technologieën die microscopisch klein zijn maar dezelfde mogelijkheden hebben als bestaande machines.

Onderzoekers van de Florida State University hebben een nieuwe methode ontdekt voor het produceren van één klasse 2D-materiaal en voor het versterken van de magnetische eigenschappen ervan. Het werk was gepubliceerd in Angewandte Chemie.

Door te experimenteren met een metaalmagneet gemaakt van de elementen ijzer, germanium en tellurium, bekend als FGT, heeft het onderzoeksteam twee doorbraken bereikt: een verzamelmethode die 1000 keer meer materiaal opleverde dan normale praktijken, en het vermogen om de magnetische eigenschappen van FGT te veranderen door middel van een chemische stof. behandeling.

“2D-materialen zijn echt fascinerend vanwege hun scheikunde, natuurkunde en mogelijke toepassingen”, zegt Michael Shatruk, professor aan de afdeling Scheikunde en Biochemie die het onderzoek leidde. “We zijn op weg naar de ontwikkeling van efficiëntere elektronische apparaten die minder stroom verbruiken, lichter, sneller en responsiever zijn. 2D-materialen spelen een grote rol in deze vergelijking, maar er moet nog veel werk worden verzet om ze levensvatbaar te maken. onderzoek maakt deel uit van die inspanning.”

Het onderzoek begon met exfoliatie in de vloeibare fase, een oplossingsverwerkingstechniek die in grote hoeveelheden tweedimensionale nanosheets produceert uit gelaagde kristallen. Het onderzoeksteam zag dat andere scheikundigen deze methode gebruikten om 2D-halfgeleiders te synthetiseren. Ze besloten het toe te passen op magnetische materialen.

Door middel van exfoliatie in de vloeibare fase kunnen scheikundigen veel meer van deze materialen verzamelen dan mogelijk zou zijn via een wijdverspreide techniek van mechanische exfoliatie waarbij tape wordt gebruikt bij het verzamelproces. In het geval van Shatruk konden onderzoekers duizend keer meer materialen verzamelen dan bij de mechanische exfoliatiemethoden.

“Dat was de eerste stap en we ontdekten dat het behoorlijk efficiënt was”, zei Shatruk. “Toen we eenmaal hadden geëxfolieerd, dachten we:” Nou, dingen exfoliëren lijkt gemakkelijk. Wat als we chemie zouden toepassen op deze geëxfolieerde nanosheets?'”

Hun succes met exfoliatie leverde voldoende FGT op voor verder onderzoek naar de chemie van het materiaal. Het team mengde de nanosheets met een organische verbinding genaamd TCNQ, of 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethaan. Dit proces creëerde een nieuw materiaal, FGT-TCNQ, door de overdracht van elektronen van de FGT-nanosheets naar de TCNQ-moleculen.

Het nieuwe materiaal was een nieuwe doorbraak: een permanente magneet met een hogere coërciviteit, een maatstaf voor het vermogen van een magneet om een ​​extern magnetisch veld te weerstaan.

De beste permanente magneten die in de modernste technologieën worden gebruikt, zijn bestand tegen magnetische velden van verschillende Tesla, maar het bereiken van een dergelijke weerstand met 2D-magneten zoals FGT is veel uitdagender, omdat het magnetische moment in het bulkmateriaal met bijna een seconde kan worden omgedraaid. verwaarloosbaar veld, dat wil zeggen dat het materiaal vrijwel geen coërciviteit heeft.

Exfoliatie van FGT-kristallen tot nanosheets leverde een materiaal op met een coërciviteit van ongeveer 0,1 Tesla, wat voor veel toepassingen niet hoog genoeg is. Toen de FSU-onderzoekers TCNQ aan de FGT-nanosheets toevoegden, verhoogden ze de coërciviteit tot 0,5 Tesla, een vijfvoudige toename en veelbelovend voor mogelijke toepassingen van 2D-magneten, bijvoorbeeld voor spinfiltering, elektromagnetische afscherming of gegevensopslag.

In tegenstelling tot elektromagneten, die elektriciteit nodig hebben om een ​​magnetisch veld in stand te houden, bezitten permanente magneten op zichzelf een aanhoudend magnetisch veld. Het zijn cruciale componenten in allerlei soorten technologie, zoals MRI-machines, harde schijven, mobiele telefoons, windturbines, luidsprekers en andere apparaten.

De onderzoekers zijn van plan de mogelijkheid te onderzoeken om materialen via andere methoden te behandelen, zoals door gastransport of door de moleculaire laag van TCNQ of vergelijkbare actieve moleculen te exfoliëren en deze aan het magnetische materiaal toe te voegen. Ze zullen ook onderzoeken hoe een dergelijke behandeling andere 2D-materialen, zoals halfgeleiders, kan beïnvloeden.

“Het is een opwindende bevinding, omdat het zoveel wegen opent voor verder onderzoek”, zegt promovendus en co-auteur Govind Sarang. “Er zijn veel verschillende moleculen die kunnen helpen bij het stabiliseren van 2D-magneten, waardoor het ontwerp van materialen met meerdere lagen mogelijk wordt waarvan de magnetische eigenschappen worden gemanipuleerd om hun functionaliteit te verbeteren.”

FSU-co-auteurs voor dit onderzoek waren onder meer student Jaime Garcia-Oliver en faculteitsonderzoeker Yan Xin. Medewerkers van de Universiteit van Valencia, Spanje, waren Alberto M. Ruiz en professor José J. Baldoví.