Согласно новой теории ученых из университета Райса, недостаток определенных двумерных материалов создает условия, при которых возникают наномасштабные магнитные поля.

Вычисления, проведенные физиком Борисом Якобсоном, показали, что эти дефекты, получившие название межзеренных границ, в двумерных полупроводящих материалах, известных как дихалькогениды, могут быть магнитными. Это может привести к новым стратегиям для растущей области спинтроники, в которой используется спин электронов и связанные магнитные поля для электронных и вычислительных устройств.

Открытие Якобсона, ведущего автора публикации Чжуа Чжанга и их коллег опубликовано в издании ACS Nano.

Дихалькогениды — гибриды, которые сочетают атомы металла и халькогена. Последний включает серу, селен и теллур. Группа Якобсона сосредоточилась на полупроводниковом дисульфиде молибдена, который, подобно графену, может быть выращен методом химического парового осаждения. В специальной печи атомы упорядочиваются вокруг катализатора, помещенного в обычный шестиугольный шаблон. В случае с дисульфидом молибдена атомы серы в решетке поочередно плавают выше и ниже молибденового слоя.

Когда встречаются сразу два растущих слоя, они не выстраиваются в линию, и атомы находят способ соединиться вдоль межзеренной границы. Вместо обычных шестиугольников они вынуждены находить равновесие, формируя смежные кольца, известные как дислокации, с количеством узлов 5+7 или 4+8.

В графене, который считается самым прочным материалом на планете, эти дислокации являются слабыми местами. Но в дисульфиде молибдена или других дихалькогенидах они обладают уникальными свойствами.

«Не важно, как вы их выращиваете», сказал Якобсон. „Эти дезориентированные области в итоге сталкиваются, формируя технологические дефекты. Все это приводит к тому, что они буквально выжимают магнетизм из антимагнитного материала“.

Ранее Якобсон выяснил, сто дислокации формируют проводящие линии шириной в атом и дрейдлообразные многогранники в дисульфиде молибдена. На сей раз, исследовательская группа пошла дальше и установила, что ядра дислокаций стали магнитными, вынуждая вращающиеся электроны выравниваться способами, которые не взаимоисключают друг друга, поскольку происходит все в безупречной решетке. Мощность магнитов зависит от угла границы и возрастает с числом дислокаций, необходимых для сохранения материала энергетически стабильным.

«Каждый электрон обладает зарядом и спином, и оба они могут нести информацию», отметил Чжанг. „Однако в обычных транзисторах мы используем лишь заряд. В новых спинтронных устройствах нам требуется контролировать и заряд, и спин для повышения эффективности и обогащения функций“.

«Наша работа предлагает новую степень свободы для электроники, использующей дисульфид молибдена», сказал Якобсон. „Способность управлять магнитными свойствами этого двумерного материала в определенных обстоятельствах делает его лучше графена“.

По его словам, кольца дислокации из четырех и восьми атомов не являются энергетически благоприятными в графене, и вряд ли будут иметь в нем место. Но в материалах, где смешаны два элемента, определенные конфигурации межзеренных границ с высокой вероятностью сформируют условия, в которых подобные элементы, желая избежать контакта друг с другом, вместо этого сформируют связи с химическими противоположностями.

«Система избегает моноэлементных связей», сказал Якобсон. „Химически это не благоприятно, а потому схема четыре-восемь оказывается выгодной“. Такие дефекты также являются мощнейшими источниками магнетизма при определенных углах межзеренной границы, при этом под некоторыми углами границы становятся ферромагнитными.

Ученые доказали свою гипотезу с помощью компьютерных симуляций, разработанных для изоляции и управления эффектами граней нанолент и диполей межзеренных границ, которые могли исказить итоговые результаты. Также ученые решили, что углы межзеренной границы в диапазоне 13-32 градусов ускоряют прогрессивное перекрытие спинов дислокаций. Со значительным перекрытием спины становятся магнитно спаренными и расширяются в электронные группы, поддерживающие спинполяризованный перенос заряда вдоль границы.

А пока, как заметил Якобсон, «проблема заключается в обнаружении пути экспериментального выявления всех гипотетических предположений. Весьма сложно сделать это в данном пространственном разрешении, особенно когда некоторые экспериментальные методы, такие как электронные лучи, способны разрушить материал».