Als je atomen samenknijpt, je krijgt geen atoomsap. Je krijgt magneten.

Volgens een nieuwe theorie van wetenschappers van Rice University, onvolkomenheden in bepaalde tweedimensionale materialen creëren de omstandigheden waaronder magnetische velden op nanoschaal ontstaan.

Berekeningen door het laboratorium van Rice theoretisch fysicus Boris Yakobson tonen deze onvolkomenheden, korrelgrenzen genoemd, in tweedimensionale halfgeleidende materialen die bekend staan ​​als dichalcogeniden, kunnen magnetisch zijn. Dit kan leiden tot nieuwe strategieën voor het groeiende veld van spintronica, die profiteert van de intrinsieke spin van elektronen en de bijbehorende magnetische velden voor elektronische en computerapparatuur.

De ontdekking door Yakobson, hoofdauteur Zhuhua Zhang en hun collega's werden deze week online gerapporteerd in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

Dichalcogeniden zijn hybriden die overgangsmetaal- en chalcogeenatomen combineren, waaronder zwavel, selenium en telluur. De Yakobson-groep richtte zich op halfgeleidend molybdeendisulfide (MDS) dat, zoals atoomdik grafeen, kan worden gekweekt via chemische dampafzetting (CVD), onder andere methoden. In een CVD-oven, atomen rangschikken zich rond een katalysatorzaadje in bekende hexagonale patronen; echter, in het geval van MDS, zwavelatomen in het rooster zweven afwisselend boven en onder de laag molybdeen.

Wanneer twee groeiende bloemen elkaar ontmoeten, het is zeer onwaarschijnlijk dat ze in de rij zullen staan, zodat de atomen een manier vinden om langs de grens te verbinden, of korrelgrens. In plaats van regelmatige zeshoeken, de atomen worden gedwongen om evenwicht te vinden door aangrenzende ringen te vormen die dislocaties worden genoemd, met vijf-plus-zeven knooppunten of vier-plus-acht knooppunten.

in grafeen, dat algemeen wordt beschouwd als het sterkste materiaal op aarde, deze dislocaties zijn zwakke punten. Maar in MDS of andere dichalcogeniden, ze hebben unieke eigenschappen.

"Het maakt niet uit hoe je ze kweekt, "Zei Yakobson. "Deze verkeerd georiënteerde gebieden botsen uiteindelijk, en daar vind je topologische defecten. Het blijkt dat - en ik hou van deze mechanistische metafoor - ze magnetisme uit niet-magnetisch materiaal persen."

In eerder werk, Yakobson ontdekte dat dislocaties geleidende lijnen op atoombreedte en dreidelvormige veelvlakken in MDS creëren. Deze keer, het team heeft dieper gegraven om te ontdekken dat dislocatiekernen magnetisch worden waar ze draaiende elektronen dwingen om uit te lijnen op manieren die elkaar niet opheffen, zoals ze doen in een onberispelijk rooster. De sterkte van de magneten hangt af van de hoek van de grens en stijgt met het aantal dislocaties dat nodig is om het materiaal energetisch stabiel te houden.

"Elk elektron heeft lading en spin, die beide informatie kunnen bevatten, " zei Zhang. "Maar in conventionele transistors, we exploiteren alleen de lading, zoals in veldeffecttransistors. Voor nieuw opgekomen spintronische apparaten, we moeten zowel het opladen als het draaien regelen voor verbeterde efficiëntie en verrijkte functies."

"Ons werk suggereert een nieuwe mate van vrijheid - een nieuwe bedieningsknop - voor elektronica die MDS gebruikt, "Zei Yakobson. "Het vermogen om de magnetische eigenschappen van dit 2D-materiaal te beheersen, maakt het in bepaalde opzichten superieur aan grafeen."

Hij zei dat de dislocatieringen van vier en acht atomen energetisch niet de voorkeur hebben in grafeen en dat het onwaarschijnlijk is dat ze daar voorkomen. Maar in de materialen die twee elementen mengen, bepaalde korrelgrensconfiguraties zullen zeer waarschijnlijk omstandigheden creëren waarin vergelijkbare elementen, contact met elkaar willen vermijden, zullen zich in plaats daarvan binden met hun chemische tegenpolen.

"Het systeem vermijdt mono-elementaire bindingen, " zei Yakobson. "De chemie houdt er niet van, dus vier-acht biedt een voordeel." Die defecten zijn ook de sterkste bronnen van magnetisme bij bepaalde korrelgrenshoeken, hij zei; in sommige hoeken, de grenzen worden ferromagnetisch.

Het team bewees zijn theorie door middel van computermodellen die zijn ontworpen om de effecten van de randen van de nanoribbons en korrelgrensdipolen die de resultaten zouden kunnen scheeftrekken, te isoleren en te beheersen. Ze bepaalden ook dat korrelgrenshoeken tussen 13 en 32 graden een progressieve overlap tussen de spins van de dislocaties forceren. Met voldoende overlap, de spins worden magnetisch gekoppeld en verbreden tot elektronische banden die spin-gepolariseerd ladingstransport langs de grens ondersteunen.

Nutsvoorzieningen, Yakobson zei, "De uitdaging is om een ​​manier te vinden om deze dingen experimenteel te detecteren. Het is vrij moeilijk om het op te lossen met deze ruimtelijke resolutie, vooral wanneer sommige van de experimentele methoden, zoals elektronenstralen, zou het materiaal vernietigen."