Een Chinees-Australische samenwerking heeft voor het eerst aangetoond dat tussenlaagkoppeling in een van der Waals (vdW) materiaal grotendeels kan worden gemoduleerd door een protonische poort, die protonen injecteren in apparaten vanuit een ionische vaste stof.

De ontdekking opent de weg naar spannende nieuwe toepassingen van vdW-materialen, met het inbrengen van protonen een belangrijke nieuwe techniek, nu beschikbaar voor de bredere onderzoeksgemeenschap van 2D-materialen.

De studie werd geleid door FLEET-onderzoekers van RMIT, in een voortdurende samenwerking met FLEET-partnerorganisatie High Magnetic Field Laboratory, Chinese Academie van Wetenschappen (CAS).

Afstemming van tussenlaagkrachten in van der Waals-materialen

Van der Waals materialen, waarvan grafiet de meest bekende is, zijn gemaakt van vele 2D-lagen die bij elkaar worden gehouden door zwakke, elektrostatische krachten.

Individuele lagen vdW-materialen kunnen afzonderlijk worden geïsoleerd, zoals de beroemde Scotch tape-methode om grafeen te produceren, of gestapeld met andere materialen om nieuwe structuren te vormen.

"Maar dezelfde zwakke tussenlaagkrachten die vdW-materialen zo gemakkelijk te scheiden maken, beperken ook de toepassingen van deze materialen in toekomstige technologie, " legt de eerste auteur van de studie uit, FLEET-onderzoeksgenoot Dr. Guolin Zheng.

Een sterkere tussenlaagkoppeling in vdW-materialen zou het potentiële gebruik in apparaten met hoge temperatuur die gebruikmaken van het kwantum afwijkende Hall-effect aanzienlijk vergroten, en in 2-D multiferroics.

De nieuwe door RMIT geleide studie toonde aan dat koppeling in een vdW-materiaal, Fe ₃ GeTe ₂ (FGT) nanovlokken, kan grotendeels worden gemoduleerd door een protonische poort.

Met de toename van de protonen tussen lagen, tussenlaagse magnetische koppeling neemt toe.

"Het meest opvallend, met meer protonen ingebracht in FGT-nanovlokken bij een hogere poortspanning, we observeerden een zelden geziene nulveldgekoelde uitwisselingsbias met zeer grote waarden, ", zegt co-auteur A/Prof Lan Wang.

De succesvolle realisatie van zowel veldgekoelde als nulveldgekoelde uitwisselingsbias in FGT impliceert dat de tussenlaagkoppeling grotendeels kan worden gemoduleerd door gate-geïnduceerde proton-insertie, de weg openen voor vele toepassingen van vdW-materialen die een sterke interfacekoppeling vereisen.

"Gate-tuned tussenlaagkoppeling in van der Waals Ferromagnet Fe ₃ GeTe ₂ Nanoflakes" werd gepubliceerd in APS Fysieke beoordelingsbrieven in juli 2020.