Tweedimensionale (2D) materialen hebben buitengewone eigenschappen. Ze bestaan ​​meestal uit atomaire lagen van slechts enkele nanometers dik en zijn bijvoorbeeld bijzonder goed in het geleiden van warmte en elektriciteit. Tot verbazing van veel wetenschappers is onlangs bekend geworden dat 2D-materialen ook kunnen bestaan ​​op basis van bepaalde metaaloxiden. Deze oxiden zijn van groot belang op gebieden als nano-elektronica-toepassingen. Een Duits-Amerikaans onderzoeksteam, geleid door het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), is er nu in geslaagd om achtentwintig vertegenwoordigers van deze nieuwe klasse materialen te voorspellen met behulp van datagestuurde methoden.

Er is een wezenlijk verschil tussen conventionele 2D-materialen zoals grafeen en de nieuwe materialen die kunnen worden gesynthetiseerd uit metaaloxiden zoals ilmeniet en chromiet. Deze laatste vormen geen zwakke interacties - wat bekend staat als van der Waals-krachten - in hun kristalstructuur, maar vormen in plaats daarvan sterkere ionische bindingen die in alle richtingen wijzen. Om deze reden zijn tot nu toe slechts enkele experimenten erin geslaagd om nieuwe 2D-materialen los te maken van 3D-materiaalblokken. De resultaten van het onderzoek kunnen nu leiden tot succes in verdere experimenten van dit type. Met theoretische methoden voorspellen de wetenschappers welke verbindingen echt de moeite waard zijn voor experimenteel onderzoek.

"Met onze gegevensgestuurde methode hebben we voortgebouwd op de eerste beschikbare informatie uit de eerste experimenten. Op basis van deze informatie hebben we structurele prototypen ontwikkeld en deze vervolgens door een enorme materialendatabase geleid als filtercriterium", legt de leider van het onderzoek, Dr. Rico Friedrich van het HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "De grootste uitdaging was uitzoeken waarom deze materialen zo gemakkelijk 2D-systemen vormen met bepaalde oxiden. Op basis van deze informatie konden we een geldig algemeen zoekcriterium ontwikkelen en konden we de geïdentificeerde kandidaten systematisch karakteriseren op basis van hun eigenschappen."

Voor dit doel hebben de onderzoekers voornamelijk de zogenaamde 'density functional theory' toegepast, een praktische computationele methode voor elektronische structuren die veel wordt gebruikt in de kwantumchemie en in de fysica van de gecondenseerde materie. Ze werkten samen met verschillende Duitse high-performance datacenters voor de benodigde computerstadia. Een beslissende factor was het bepalen van de exfoliatie-energie:deze bepaalt hoeveel energie er moet worden verbruikt om een ​​2D-laag van het oppervlak van een materiaal te verwijderen.

Materiaaldatabase met ongeveer 3,5 miljoen vermeldingen

Het onderzoek maakte ook gebruik van de AFLOW-materialendatabase (Automatic Flow for Materials Discovery). Het is al meer dan twintig jaar in ontwikkeling door Prof. Stefano Curtarolo van Duke University (VS), die ook een bijdrage leverde als auteur van het onderzoek. AFLOW wordt beschouwd als een van de grootste materiaalwetenschappelijke databases en classificeert ongeveer 3,5 miljoen verbindingen met meer dan 700 miljoen berekende materiaaleigenschappen.

Samen met de bijbehorende software verschafte de database de onderzoekers uiteindelijk niet alleen de chemische samenstelling van achtentwintig 2D-compatibele materialen, maar stelde ze hen ook in staat om hun eigenschappen te bestuderen, die opmerkelijk zijn in elektronisch, magnetisch en topologisch opzicht. Volgens Rico Friedrich zouden ze door hun specifieke magnetische oppervlaktestructuren bijzonder aantrekkelijk kunnen zijn voor spintronische toepassingen, zoals voor gegevensopslag in computers en smartphones.

"Ik weet zeker dat we nog meer van dit soort 2D-materialen kunnen vinden", zegt de natuurkundige uit Dresden en werpt een blik in de toekomst. "Als er genoeg kandidaten zijn, kan er misschien zelfs een speciale database worden gemaakt die volledig is gespecialiseerd in deze nieuwe klasse van materialen." De HZDR-wetenschappers blijven in nauw contact met collega's van een vakgerelateerd onderzoekscentrum (Sonderforschungsbereich) aan de TU Dresden en met de toonaangevende onderzoeksgroep voor het synthetiseren van nieuwe 2D-systemen in de Verenigde Staten. Samen met beide partners zijn ze van plan om de meest veelbelovende verbindingen verder te onderzoeken. + Verder verkennen

Vooruitgang en vooruitzichten in magnetische topologische materialen