Un'immagine al microscopio mostra scaglie di ossido di ferro epsilon (III) cresciute su mica dagli ingegneri della Rice. I cristalli quasi 2D sono promettenti elementi costitutivi per l'elettronica e la spintronica che sfruttano le loro proprietà magnetiche stabili. Credito:il Gruppo Lou
I ricercatori della Rice University hanno semplificato la sintesi di un unico, forma quasi bidimensionale di ossido di ferro con forti proprietà magnetiche che è facile da impilare su altri materiali 2-D.
Il materiale, epsilon ferro (III) ossido, mostra la promessa come elemento costitutivo per strutture esotiche su nanoscala che potrebbero essere utili per dispositivi spintronici, applicazioni elettroniche o di memorizzazione che sfruttano non solo la carica degli elettroni ma anche i loro stati di spin.
I ricercatori della Brown School of Engineering di Rice e della Wiess School of Natural Sciences hanno riferito sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere che avevano prodotto scaglie di ossido attraverso la semplice deposizione chimica da vapore. I fiocchi sono facilmente trasferibili dai loro substrati di crescita e mantengono le loro proprietà magnetiche a lungo termine a temperatura ambiente.
"L'ossido di ferro non è una novità, " ha detto lo scienziato dei materiali della Rice e co-investigatore principale Jun Lou. "Ma questa fase epsilon è molto rara. Nella crescita epitassiale (in cui il cristallo si allinea con la struttura atomica della superficie), il legame è forte e i cristalli sono difficili da trasferire. Ma una delle caratteristiche di questa struttura cristallina è che ha un'interazione relativamente debole con il substrato. Puoi prenderlo e metterlo su cose diverse."
Un'illustrazione mostra la struttura dell'ossido di ferro epsilon (III), un materiale atomicamente sottile che è stabile, impilabile e, a differenza di altri ossidi di ferro, conserva le sue proprietà magnetiche uniche a temperatura ambiente. Credito:Jiangtan Yuan
"Un materiale magnetico ultrasottile come questo, che mantiene le sue proprietà magnetiche fino a temperatura ambiente e può essere integrato con altri materiali mediante impilamento, è molto eccitante, " ha detto il fisico di Rice Doug Natelson, un investigatore co-principale con Lou e Scott Crooker del Los Alamos National Laboratory. "Sarà un ottimo banco di prova per vedere come agiscono le proprietà magnetiche attraverso le interfacce, un aspetto importante rilevante per le future tecnologie dell'informazione."
Lou ha detto che il materiale tecnicamente non è 2-D, a causa della struttura atomica ortorombica prismatica che conferisce al reticolo le sue proprietà insolite. "Ma in fondo, ha tutte le caratteristiche di un magnete 2-D, " Egli ha detto.
Ha detto che altri materiali magnetici 2-D scoperti fino a questo punto hanno due caratteristiche negative:la loro temperatura Curie è molto al di sotto della temperatura ambiente, il che significa che i materiali devono essere raffreddati per preservare i loro effetti magnetici, oppure i materiali non sono strutturalmente stabili e si decompongono rapidamente in condizioni ambientali.
"Il nostro materiale non ha nessuno di questi problemi, "Ha detto Lou. "È stabile all'aria e la temperatura di Curie è leggermente al di sopra della temperatura ambiente. Se testiamo il materiale che abbiamo coltivato un anno fa ora, mostra ancora lo stesso comportamento."
L'ossido di ferro Epsilon (III) incorpora atomi di ossigeno (blu) e atomi di ferro (tutto il resto) in un reticolo cristallino con proprietà magnetiche che, a differenza di altri ossidi di ferro, rimangono stabili a temperatura ambiente. Ciò rende il materiale quasi 2D un buon candidato per la combinazione con altri materiali di spessore atomico per nuove applicazioni elettroniche e spintroniche. Credito:Jiangtan Yuan
Se il materiale fosse spesso come un magnete da frigorifero, anch'esso si attaccherebbe. "L'effetto magnetico è molto forte, circa 300 milliTesla, " Lou ha detto. "Ma questo materiale non può esistere alla rinfusa. Passerà gradualmente dall'epsilon a un altro tipo di ossido".
I ricercatori hanno coltivato i fiocchi lisci, sottile come 5,1 nanometri, su substrati di biossido di silicio e mica. Hanno testato con successo la sua capacità di legarsi tramite la debole forza di van der Waals con il grafene. Le proprietà magnetiche dei fiocchi, misurato a Los Alamos, sono risultati stabili a temperatura ambiente con un campo magnetico compreso tra 200 e 400 milliTesla.
La ricerca è il risultato di una proposta interdisciplinare Rice IDEA di Lou, Natelson e il chimico della Rice Gustavo Scuseria per studiare le proprietà magnetiche dei materiali 2-D. Hanno in programma di combinare l'ossido con più materiali 2-D per vedere come il suo campo magnetico influenza le proprietà delle eterostrutture. "Questo processo di accoppiamento interfacciale sarà molto interessante per noi, " Ha detto Lu.
Alunno del riso Jiangtan Yuan, ora ricercatore post-dottorato presso la Northwestern University, e Andrew Balk del National High Magnetic Field Laboratory di Los Alamos, Nuovo Messico, sono co-autori principali dello studio. I coautori sono l'assistente professore di ricerca Hua Guo, studenti laureati Qiyi Fang e Xuanhan Zhao, lo studente universitario Sahil Patel e lo specialista di ricerca Tanguy Terlier della Shared Equipment Authority di Rice. Crooker è un membro dello staff tecnico del National High Magnetic Field Laboratory. Natelson è un professore di fisica e astronomia, di ingegneria elettrica e informatica e di scienza dei materiali e nanoingegneria. Lou è un professore di scienza dei materiali e nanoingegneria e di chimica.
