Multiferroics worden gedefinieerd als materialen die gelijktijdig ferromagnetisme en ferro-elektriciteit vertonen. Dergelijke eigenschappen maken die materialen veelbelovende bouwstenen van nieuwe multifunctionele materialen voor een verscheidenheid aan toepassingen. Echter, het blijft nog steeds een grote uitdaging om het ferromagnetisme en de ferro-elektriciteit van multiferroïsche stoffen te verbeteren.

Een recente studie, gezamenlijk uitgevoerd door professor Geunsik Lee in de School of Natural Science van UNIST en professor Xiang Zhang aan UC Berkeley in de Verenigde Staten van Amerika, toonde aan dat van der Waals (vdW) krachten kunnen worden gebruikt om een ​​dergelijk probleem op te lossen, heeft dus veel academische aandacht getrokken.

In hun studie hebben gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , de onderzoekers toonden de haalbaarheid aan van het realiseren van een nieuw concept van 2-D heterostructuur multiferroics. De voorgestelde methode is een nieuwe manier om de interactie tussen twee eigenschappen te verbeteren door ferromagnetische en ferro-elektrische materialen stevig te binden via chemische binding. De methode, die door de onderzoekers is getest via hun theoretische berekeningen, gebruik chemische binding door de vdW-krachten.

Multiferroïsche materialen, die gelijktijdige ferro-elektrische en magnetische ordening tonen, kan het magnetisme door elektrisch veld controleren of vice versa. De techniek om het magnetisme door een elektrisch veld te regelen, is vooral essentieel voor de ontwikkeling van geheugenapparaten met een hoge dichtheid. Om deze techniek toe te passen, hoe groter de interactie tussen die ferro-orden, hoe beter het is.

Er zijn uitgebreide studies gedaan naar multiferroics, met zowel ferromagnetisme als ferro-elektriciteit in een enkel materiaal. Nog, al die materialen hebben geen multiferroïsch gedrag vertoond bij kamertemperatuur. Om deze reden, bijzondere aandacht is gevestigd op de nieuwe methode voor het implementeren van 2-D heterostructuur multiferroics, waar ferro-elektrische materialen en magnetische materialen worden gecombineerd.

In de studie, het onderzoeksteam heeft het nieuwe concept van "niet-covalente 2-D heterostructuur multiferroics" voorgesteld door atomaire lagen van ferromagnetische Cr op te stapelen ₂ Ge ₂ Te ₆ en ferro-elektrische In ₂ Se ₃ , wat leidt tot all-atomaire multiferroiciteit. Ze onderzochten ook experimenteel en theoretisch de ferromagnetische en ferro-elektronische eigenschappen van 2-D heterostructuur multiferroics. Dit gecombineerde experimentele en theoretische onderzoek onthult dat de nieuwe multiferroics in staat zijn om het magnetisme volledig onder controle te krijgen door elektrisch veld, zelfs op het grensvlak tussen de twee materialen.

Hier, de door de onderzoekers veronderstelde krachten waren niet de covalente binding, maar de Van der Waals-troepen. De term 'Van der Waalskracht' verwijst naar kortstondige aantrekkingen tussen moleculen, zoals diatomische vrije elementen en individuele atomen. Deze krachten kunnen aantrekkelijk of afstotend zijn, afhankelijk van de afstand tussen de betrokken moleculen.

De onderzoeken maakten gebruik van eerste-principes DFT-berekeningen op een vdW-heterostructuur bestaande uit ferromagnetische Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ en ferro-elektrische In ₂ Se ₃ monolagen. Door de elektrische polarisatie van In2Se3 om te keren, de berekende magnetokristallijne anisotropie van Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ veranderingen tussen easy-axis en easy-plane (d.w.z. in-/uitschakelen van de ferromagnetische orde), die een nieuw ontwerp van magnetisch geheugen belooft. Verder, In ₂ Se ₃ wordt magnetische ferro-elektriciteit, met schakelbare spinpolarisaties volgens zijn eigen elektrische polarisatie.

"Theoretisch, we hebben bewezen dat de gelaagde ferro-elektrische en ferromagneet chemisch kunnen worden gekoppeld met van der Waals-krachten om de magnetische eigenschappen te veranderen in een veel grotere waarde dan de conventionele, ", zegt professor Geunsik Lee. "We stellen ons voor dat de dualiteit van multiferroiciteit mogelijk de vrijheid van laag-opgeloste gegevensopslag en die van informatieverwerking verrijkt vanwege de diverse magneto-elektrische en magneto-optische eigenschappen van samenstellende lagen."