Rice University-onderzoekers hebben de synthese van een uniek, bijna tweedimensionale vorm van ijzeroxide met sterke magnetische eigenschappen die gemakkelijk op andere 2D-materialen kan worden gestapeld.

Het materiaal, epsilon ijzer(III)oxide, is veelbelovend als bouwsteen voor exotische structuren op nanoschaal die nuttig kunnen zijn voor spintronische apparaten, elektronische of opslagtoepassingen die niet alleen profiteren van de lading van elektronen, maar ook van hun spintoestanden.

Onderzoekers van Rice's Brown School of Engineering en Wiess School of Natural Sciences meldden in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters dat ze oxidevlokken hadden geproduceerd door eenvoudige chemische dampafzetting. De vlokken zijn gemakkelijk overdraagbaar van hun groeisubstraten en behouden bij kamertemperatuur langdurig hun magnetische eigenschappen.

"IJzeroxide is niets nieuws, " zei Rice materiaalwetenschapper en co-hoofdonderzoeker Jun Lou. "Maar deze epsilon-fase is zeer zeldzaam. Bij epitaxiale groei (waarbij het kristal op één lijn ligt met de atomaire structuur van het oppervlak), de hechting is sterk en kristallen zijn moeilijk over te dragen. Maar een van de kenmerken van deze kristalstructuur is dat het een relatief zwakke interactie heeft met het substraat. Je kunt het oppakken en op verschillende dingen zetten."

"Een ultradun magnetisch materiaal als dit, die zijn magnetische eigenschappen behoudt tot kamertemperatuur en kan worden geïntegreerd met andere materialen door te stapelen, is erg spannend, " zei Rice-fysicus Doug Natelson, een co-hoofdonderzoeker met Lou en Scott Crooker van Los Alamos National Laboratory. "Het zal een geweldige proeftuin zijn om te zien hoe magnetische eigenschappen werken tussen interfaces, een belangrijk aspect dat relevant is voor toekomstige informatietechnologieën."

Lou zei dat het materiaal technisch gezien niet 2D is, vanwege de prisma-achtige orthorhombische atomaire structuur die het rooster zijn ongebruikelijke eigenschappen geeft. "Maar in principe het heeft alle eigenschappen van een 2D-magneet, " hij zei.

Hij zei dat andere 2D-magnetische materialen die tot nu toe zijn ontdekt twee negatieve eigenschappen hebben:hun Curie-temperatuur ligt ver onder kamertemperatuur, wat betekent dat de materialen moeten worden gekoeld om hun magnetische effecten te behouden, of de materialen zijn structureel niet stabiel en ontleden snel in omgevingsomstandigheden.

"Ons materiaal heeft geen van beide problemen, ' zei Lou. 'Het is luchtstabiel en de temperatuur van de Curie ligt iets boven kamertemperatuur. Als we het materiaal testen dat we een jaar geleden hebben verbouwd, het vertoont nog steeds hetzelfde gedrag."

Als het materiaal zo dik was als een koelkastmagneet, het zou ook blijven plakken. "Het magnetische effect is erg sterk, ongeveer 300 milliTesla, " zei Lou. "Maar dit materiaal kan niet in bulk bestaan. Het zal geleidelijk overgaan van epsilon naar een ander soort oxide."

De onderzoekers kweekten de gladde vlokken, zo dun als 5,1 nanometer, op siliciumdioxide en mica substraten. Ze testten met succes het vermogen om via de zwakke van der Waals-kracht te binden met grafeen. De magnetische eigenschappen van de vlokken, gemeten in Los Alamos, bleken stabiel te zijn bij kamertemperatuur met een magnetisch veld tussen 200 en 400 milliTeslas.

Het onderzoek is het resultaat van een interdisciplinair Rice IDEA-voorstel van Lou, Natelson en Rice-chemicus Gustavo Scuseria om de magnetische eigenschappen van 2D-materialen te onderzoeken. Ze zijn van plan het oxide te combineren met meer 2D-materialen om te zien hoe het magnetische veld de eigenschappen van heterostructuren beïnvloedt. "Dit grensvlakkoppelingsproces wordt erg interessant voor ons, ' zei Lou.

Rijstalumnus Jiangtan Yuan, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Northwestern University, en Andrew Balk van het National High Magnetic Field Laboratory in Los Alamos, New Mexico, zijn co-hoofdauteurs van de studie. Co-auteurs zijn assistent-onderzoeksprofessor Hua Guo, afgestudeerde studenten Qiyi Fang en Xuanhan Zhao, student Sahil Patel en onderzoeksspecialist Tanguy Terlier van de Shared Equipment Authority bij Rice. Crooker is technisch medewerker van het National High Magnetic Field Laboratory. Natelson is hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, van elektrische en computertechniek en van materiaalkunde en nano-engineering. Lou is hoogleraar materiaalkunde en nano-engineering en scheikunde.