Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen en de Stichting FOM, onder leiding van professor Beatriz Noheda, hebben een nieuwe mangaanverbinding ontdekt die wordt geproduceerd door spanning in de kristalstructuur van terbiummangaanoxide. De techniek die ze gebruikten om dit nieuwe materiaal te maken, zou de weg kunnen openen naar nieuwe circuits op nanoschaal. Hun bevindingen werden op 20 november 2014 gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

De onderzoekers groeiden een zeer dunne laag (niet meer dan enkele tientallen atomen dik) van het terbiummangaanoxidekristal op een dikkere basislaag van strontiumtitaanoxide. Deze basislaag beïnvloedt de groei van de dunne laag. Wanneer stukjes groeiend kristal elkaar ontmoeten, een interface of 'domeinmuur' ontwikkelt, en in deze wand komt de kristalstructuur onder trekspanning te staan.

Nanoreactor

Tot een paar jaar geleden, materiaalwetenschappers probeerden bij het maken van zeer dunne lagen te voorkomen dat domeinwanden ontstonden vanwege deze trekspanning. "Domeinmuren werden gezien als vervuiling", zegt Noheda. Toen werd duidelijk dat de spanning in de kristalstructuur het materiaal daadwerkelijk nieuwe eigenschappen gaf, en, zoals nu blijkt, de domeinmuur kan een chemische reactor op nanoschaal worden.

Muren

De Groningse onderzoekers hebben veel expertise opgebouwd in het beheersen van het aantal domeinmuren dat ontstaat. De samenstelling van de basislaag heeft hier invloed op, bijvoorbeeld, en hoe dunner de kristallaag, hoe groter het aantal muren dat voorkomt.

"Naast het bepalen hoeveel muren zich ontwikkelen, een andere grote uitdaging was om precies te analyseren wat er in een muur gebeurt, aangezien dit over het algemeen slechts één atoom dik is", zegt Noheda. Een manier om het materiaal in de muur te analyseren, is door monsters met verschillende aantallen muren te vergelijken. De onderzoekers zagen dat hoe meer muren er waren, hoe magnetischer het materiaal was. "Directe waarneming van een magnetisch veld is nog niet mogelijk op atomaire schaal, vooral niet in een isolator", zegt Noheda.

Zigzag lijn

Een geavanceerde chemische analyse met atomaire resolutie werd gebruikt om aan te tonen dat de samenstelling van het kristal in de wanden was veranderd:op specifieke locaties had een mangaanatoom de plaats ingenomen van een groter terbiumatoom. Het terbiumatoom vormt een soort zigzaglijn in de kristalstructuur. Twee tegengestelde zigzaglijnen ontmoeten elkaar in de domeinmuur, waardoor sommige van de terbiumatomen zeer dicht bij elkaar komen. "Dit zorgt voor grote spanningen, het terbiumatoom verdwijnt uit het kristal, en een kleiner mangaanatoom komt ervoor in de plaats", legt Noheda uit. In tegenstelling tot het normale kristal, dit extra mangaan maakt de muur magnetisch.

Nieuwe chemie

Professor Maxim Mostovoy modelleerde het magnetisme, en zijn resultaten komen overeen met de resultaten van het experiment:"Er ontstaat een binding die nog niet is beschreven tussen vijf mangaanatomen. We zien daarom nieuwe chemie in de domeinmuur." Dit maakt de domeinmuur tot een soort chemische reactor op nanoschaal. "En we vermoeden dat dit soort nieuwe binding zal optreden in alle kristallen met deze zigzagstructuur."

Circuits

Noheda hoopt in verder onderzoek muren te genereren met de potentie om circuits te vormen. Er zouden dan minuscule circuits van slechts enkele atomen kunnen ontstaan. "Maar ik hoop ook dat chemici aan de slag gaan met deze nanoreactoren."

Beatriz Noheda en Maxim Mostovoy werken beide bij het Zernike Institute for Advanced Materials, onderdeel van de Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen van de Rijksuniversiteit Groningen. Het onderzoek is gefinancierd door NanoNextNL en de Stichting FOM.