Исследователи из Университета штата Флорида открыли новый метод получения одного из классов двумерных материалов и усиления его магнитных свойств. Работа опубликована в журнале Angewandte Chemie.

Экспериментируя с металлическим магнитом, изготовленным из элементов железа, германия и теллура и известным как FGT, исследовательская группа совершила два прорыва: метод сбора материала, который позволил получить в 1000 раз больше материала, чем обычно, и возможность изменять магнитные свойства FGT с помощью химической обработки.

Двумерные материалы очень интересны с точки зрения их химии, физики и потенциального применения, — говорит Майкл Шатрук, профессор кафедры химии и биохимии, возглавлявший исследование.

Мы движемся к созданию более эффективных электронных устройств, которые потребляют меньше энергии, легче, быстрее и быстрее реагируют на запросы. Двумерные материалы являются большой частью этого уравнения, но предстоит еще много работы, чтобы сделать их жизнеспособными. Наше исследование является частью этой работы.

Исследование началось с жидкофазного отшелушивания — метода обработки растворов, который позволяет получать двумерные нанолисты из слоистых кристаллов в больших количествах. Исследовательская группа увидела, что другие химики используют этот метод для синтеза двумерных полупроводников. Они решили применить его к магнитным материалам.

Жидкофазное отшелушивание позволяет химикам собрать гораздо больше таких материалов, чем это возможно при использовании более распространенной техники механического отшелушивания, при которой в процессе сбора используется лента. В случае Шатрука это позволило исследователям собрать в 1000 раз больше материалов, чем при механическом отшелушивании.

Это был первый шаг, и мы обнаружили, что он довольно эффективен, — говорит Шатрук.

Как только мы провели эксфолиацию, мы подумали: «Что ж, эксфолиация кажется простой. А что, если применить химию к этим отшелушенным нанолистам?

Успех с отшелушиванием позволил получить достаточно FGT для дальнейшего изучения химии материала. Команда смешала нанолисты с органическим соединением под названием TCNQ, или 7,7,8,8-тетрацианохинодиметан. Благодаря переносу электронов с нанолистов FGT на молекулы TCNQ был получен новый материал — FGT-TCNQ.

Новый материал стал еще одним прорывом — постоянным магнитом с более высокой коэрцитивной силой, мерой способности магнита противостоять внешнему магнитному полю.

Лучшие постоянные магниты, используемые в современных технологиях, выдерживают магнитные поля в несколько Тесла, но достичь такой устойчивости с двумерными магнитами, такими как FGT, гораздо сложнее, поскольку магнитный момент в объемном материале может быть перевернут почти ничтожным полем — то есть материал обладает почти нулевой коэрцитивной силой.

Отшелушивание кристаллов FGT до нанолистов позволило получить материал с коэрцитивной силой около 0,1 Тесла, что недостаточно высоко для многих применений. Когда исследователи из FSU добавили TCNQ в нанолисты FGT, они увеличили коэрцитивную силу до 0,5 Тесла, что в пять раз больше и очень перспективно для потенциального применения двумерных магнитов, например, для спиновой фильтрации, электромагнитного экранирования или хранения данных.

В отличие от электромагнитов, которым для поддержания магнитного поля необходимо электричество, постоянные магниты обладают постоянным магнитным полем сами по себе. Они являются важнейшими компонентами всевозможных технологий, таких как аппараты МРТ, жесткие диски, сотовые телефоны, ветряные турбины, громкоговорители и другие устройства.

Исследователи планируют изучить возможность обработки материалов другими методами, например, с помощью газового транспорта или путем отшелушивания молекулярного слоя TCNQ или аналогичных активных молекул и добавления его в магнитный материал. Они также изучат, как такая обработка может повлиять на другие двумерные материалы, например, полупроводники.

Это захватывающее открытие, потому что оно открывает множество путей для дальнейших исследований, — говорит докторант и соавтор исследования Говинд Саранг.

Существует множество различных молекул, которые могут помочь стабилизировать двумерные магниты, что позволит создавать материалы с несколькими слоями, магнитными свойствами которых можно манипулировать для повышения их функциональности.

Ранее ученые сделали вывод, что графен поможет создать двумерную электронику.