Ultradunne vanadiumoxychloride vertoont sterke optische anisotrope eigenschappen

De optische, elektrische en mechanische eigenschappen van sommige materialen veranderen afhankelijk van de richting of oriëntatie van het materiaal. Afhankelijk van hoe hout bijvoorbeeld wordt gezaagd, kan de oriëntatie van de houtnerf resulteren in een sterker of zwakker materiaal met een ander uiterlijk. Ditzelfde principe is van toepassing op ultradunne, tweedimensionale (2D) materialen met unieke eigenschappen zoals magnetisme.

Afhankelijk van de richting van een mechanische spanning die op een van deze materialen wordt uitgeoefend, veranderen de magnetische eigenschappen van het materiaal. Dit kan het ontwerp van unieke magnetische spanningssensoren vergemakkelijken die kracht kunnen omzetten in een meetbare elektrische verandering. En hoewel de anisotropie van de magnetische, mechanische, optische en andere eigenschappen van deze materialen in theorie kan worden voorspeld, moeten de voorspellingen worden ondersteund of verworpen op basis van empirische metingen om de werkelijke geschiktheid van een materiaal voor een bepaalde toepassing te bepalen.

Een recente studie onder leiding van wetenschappers van de Beihang University was specifiek ontworpen om de fysische eigenschappen van ultradunne vanadiumoxychloride (VOCl) experimenteel te beoordelen vanwege de potentiële geschiktheid ervan voor verschillende nanotechnologieën op basis van theoretische berekeningen. Het onderzoeksteam karakteriseerde systematisch de directionaliteit van de optische eigenschappen van het 2D-materiaal in reactie op de rangschikking van zijn atomen, met behulp van gepolariseerd licht. De bevindingen worden gerapporteerd in de uitgave van 5 januari 2023 van Nano-onderzoek.

De onderzoekers synthetiseerden bulk VOCl en scheidden het materiaal mechanisch in enkele lagen, nanometer dikke monsters om de optische kenmerken van 2D VOCl vanuit verschillende richtingen te beoordelen. Nadat het team de atomaire microstructuur en samenstelling van de gesynthetiseerde VOCl had vastgesteld, werden experimenten uitgevoerd door gepolariseerd licht te schijnen op 2D VOCl-monsters die onder verschillende hoeken waren geroteerd. De onderzoekers bepaalden hoe optische helderheid, absorptie, reflectie, kristaloriëntatie en symmetrie van het ultradunne materiaal in het vlak verandert als gevolg van de atomaire structuur en de hoek van het licht dat op het monster wordt gericht.

Samen met het voorspelde magnetisme van ultradunne VOCl, zullen de tijdens het onderzoek beoordeelde optische anisotrope eigenschappen helpen bij het bepalen van de geschiktheid van 2D VOCl voor gebruik in toekomstige nanotechnologieën.

“Deze resultaten vormen een solide basis voor 2D VOCl in de toepassingen van spintronica en optospintronica”, zegt Chengbao Jiang, professor aan de School of Materials Science and Engineering aan de Beihang University en hoofd PI van het onderzoeksteam.

Spintronica is een opkomende technologie die de spin van elektronen gebruikt om informatie te coderen, gegevensverwerking te versnellen, de circuitdichtheid te vergroten en het energieverbruik te verminderen. Een nieuwere tak van spintronica, optospintronica genaamd, gebruikt optica, of licht, om elektronenspin te meten of te regelen.

“Deze optische anisotrope eigenschappen kunnen worden gebruikt om nieuwe functionele apparaten te ontwerpen, waaronder fotodetectoren, lichtgeneratoren met lineaire polarisatie, reksensoren en kunstmatige synapsapparaten”, zegt co-hoofdauteur Shengxue Yang van Beihang University.

VOCl, dat een kristalstructuur vormt van vanadium-, zuurstof- en chloride-atomen, is slechts een van de vele materialen die mechanisch kunnen worden gescheiden in ultradunne lagen en die richtings- en oriëntatieafhankelijke fysieke kenmerken vertonen. Grafeen, een enkele laag koolstof in een honingraatstructuur, en zwarte fosfor, een materiaal dat structureel vergelijkbaar is met grafeen maar in plaats daarvan is samengesteld uit fosforatomen, worden beide gekenmerkt door hun sterkte en vermogen om warmte en elektriciteit te geleiden, met zwarte fosfor mogelijk dienend als vervanging voor meer toxisch grafeen in biomedische toepassingen.

Hoewel de fysieke kenmerken van 2D-materialen vaak worden getheoretiseerd door middel van voorspellende berekeningen, moeten ultradunne materialen empirisch worden gekarakteriseerd om hun mechanische, optische, magnetische en andere eigenschappen te bevestigen. Experimentele resultaten komen vaak overeen met theoretische berekeningen en kunnen worden gebruikt om zowel de kwaliteit als de samenstelling van het gesynthetiseerde materiaal te bevestigen. Met empirische bevestiging van de fysieke eigenschappen van het ultradunne materiaal, kunnen unieke kenmerken worden benut voor de opkomende nanotechnologietoepassingen van de toekomst, waaronder kwantumcomputing, krachtwaarneming en energieopslag.