Исследовательская группа разрабатывает новую идею по улучшению свойств ультратонких материалов

Двумерные магнитные материалы, состоящие из одного или нескольких атомных слоев, стали известны лишь недавно и обещают интересные применения, например, для будущей электроники. Однако до сих пор не удалось адекватно контролировать магнитное состояние этих материалов.

Немецко-американская исследовательская группа под руководством Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) и Технического университета Дрездена (TUD) представляет журнал Нано-сообщенияЭто инновационная идея, которая может преодолеть этот недостаток, позволяя двумерному слою взаимодействовать с водородом.

2D-материалы очень тонкие и в некоторых случаях состоят из одного атомного слоя. Благодаря своим особым свойствам этот еще молодой класс материалов открывает захватывающие перспективы для спинтроники и хранения данных. В 2017 году специалисты открыли новый тип 2D-магнитного материала. Однако до сих пор этим системам было трудно переключаться между двумя магнитными состояниями (что является необходимым условием для создания новых типов электронных компонентов) посредством целенаправленного химического воздействия.

Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа из HZDR и TUD под руководством младшего руководителя исследовательской группы Рико Фридриха нацелилась на специальную группу 2D-материалов: слои, полученные из кристаллов, содержащих относительно прочные химические связи: так называемые неван-дер-ваальсовы 2D-материалы. материалы.

Двадцать лет назад лауреаты Нобелевской премии по физике Константин Новоселов и Андрей Гейм впервые смогли целенаправленно создать двумерную материю. С помощью липкой ленты они сняли тонкий слой кристаллов графита, изолировав таким образом однослойный углерод, называемый графеном. Простой трюк сработал, потому что отдельные слои графита были слабо связаны химически. Кстати, именно это позволяет рисовать карандашом линии на бумаге.

«Только в последние годы стало возможным разделять отдельные слои кристаллов с помощью жидкостных процессов, при которых слои связаны гораздо прочнее, чем при использовании графита», — объясняет Рико Фридрих, глава стартап-исследовательской группы Dresden Concept. Автомат.

«Полученный двумерный материал более химически активен, чем, например, графен». Причина: эти слои содержат ненасыщенные химические связи на своей поверхности и поэтому имеют сильную тенденцию к сцеплению с другими материалами.

Преобразовать 35 в 4

Фридриху и его команде пришла в голову следующая идея: если интерактивная поверхность этих 2D-материалов будет создана для взаимодействия с водородом, то появится возможность влиять на магнитные свойства особенно тонких слоев. Однако было неясно, какие 2D-системы особенно подходят для этой цели.

Чтобы ответить на этот вопрос, эксперты просмотрели ранее созданную базу данных из 35 новых 2D-материалов и выполнили подробные и обширные расчеты с использованием теории функционала плотности.

Задача заключалась в том, чтобы обеспечить стабильность пассивированных водородом систем с точки зрения энергетики, динамических и термических аспектов, а также определить правильное магнитное состояние — задача, которую можно было выполнить только при поддержке нескольких высокопроизводительных вычислительных центров.

Когда тяжелая работа была проделана, осталось четыре многообещающих 2D-материала. Группа еще раз внимательно изучила их. «В конечном итоге нам удалось идентифицировать трех кандидатов, которые можно было бы магнитно активировать путем пассивации водородом», — говорит Фридрих. Вещество под названием титанат кадмия (CdTiO).₃) оказывается особенно замечательным — он становится магнитным, то есть постоянным магнитом, под действием водорода.

Три гидроочищенных кандидата должны легко управляться с помощью магнита и, следовательно, могут быть пригодны для новых типов электронных компонентов. Поскольку эти слои очень тонкие, их можно легко интегрировать в плоские компоненты устройств, что является важным аспектом для потенциальных приложений.

Эксперименты уже идут

«Следующий шаг — экспериментальное подтверждение наших теоретических выводов», — говорит Рико Фридрих. «Несколько исследовательских групп уже пытаются это сделать, например, в Кассельском университете и Институте исследований твердого тела и материалов им. Лейбница в Дрездене». Но также в HZDR и TUD продолжаются исследования 2D-материалов: среди прочего Фридрих и его команда работают над новыми типами 2D-материалов, которые могут быть полезны для преобразования энергии и длительного хранения.

Первое внимание уделяется возможному расщеплению воды на кислород и водород. Полученный таким образом зеленый водород можно будет затем использовать, например, в качестве средства хранения энергии в периоды, когда доступно очень мало солнечной и ветровой энергии.