Nanomikroskop ermöglicht erste direkte Beobachtung der magnetischen Eigenschaften von 2D-Materialien

Entdeckung ermöglicht eine neue Klasse von Materialien und Technologien

22.09.2020 - Australien

Australische Forscher und ihre Kollegen aus Russland und China haben gezeigt, dass es möglich ist, die magnetischen Eigenschaften von ultradünnen Materialien direkt zu untersuchen, und zwar mit Hilfe einer neuen Mikroskopietechnik, die die Tür zur Entdeckung von mehr zweidimensionalen (2D) magnetischen Materialien mit allen möglichen möglichen Anwendungen öffnet.

Die in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlichten Ergebnisse sind von Bedeutung, da die derzeitigen Techniken zur Charakterisierung normaler (dreidimensionaler) Magnete bei 2D-Materialien wie Graphen aufgrund ihrer extrem geringen Größe - nur wenige Atome dick - nicht funktionieren.

"Bisher gab es keine Möglichkeit, genau zu sagen, wie stark magnetisch ein 2D-Material war", sagte Dr. Jean-Philippe Tetienne von der Fakultät für Physik der Universität Melbourne und dem Zentrum für Quantenberechnung und Kommunikationstechnologie der Universität Melbourne.

Der Magnet-Effekt ohne Magnet

Überraschung: Der Hall-Effekt, der normalerweise nur bei Magnetfeldern auftritt, ließ sich auch anders erzeugen – und zwar extrem stark

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"Das heißt, wenn Sie das 2D-Material wie einen gewöhnlichen Kühlschrankmagneten an die Tür Ihres Kühlschranks legen würden, wie stark es daran haften bleibt. Das ist die wichtigste Eigenschaft eines Magneten."

Um dieses Problem zu lösen, setzte das Team unter der Leitung von Professor Lloyd Hollenberg ein Weitfeld-Stickstoff-Vakanz-Mikroskop ein, ein kürzlich entwickeltes Gerät, das über die erforderliche Empfindlichkeit und räumliche Auflösung verfügt, um die Stärke von 2D-Material zu messen.

"Im Wesentlichen funktioniert die Technik, indem winzige magnetische Sensoren (so genannte Stickstoff-Vakanz-Zentren, die atomare Defekte in einem Stück Diamant darstellen) extrem nahe an das 2D-Material herangebracht werden, um dessen Magnetfeld zu erfassen", erklärte Professor Hollenberg.

Um die Technik zu testen, wählten die Wissenschaftler die Untersuchung von Vanadiumtriiodid (VI3), da große 3D-Blöcke von VI3 bereits als stark magnetisch bekannt waren.

Mit ihrem Spezialmikroskop haben sie nun gezeigt, dass 2D-Blätter von VI3 ebenfalls magnetisch sind, aber etwa doppelt so schwach wie in der 3D-Form. Mit anderen Worten, es wäre doppelt so einfach, sie von der Kühlschranktür wegzubekommen.

"Das war eine kleine Überraschung, und wir versuchen derzeit zu verstehen, warum die Magnetisierung in 2D schwächer ist, was für Anwendungen wichtig sein wird", sagte Dr. Tetienne.

Professor Artem Oganov vom Skolkowo-Institut für Wissenschaft und Technologie (Skoltech) in Moskau sagte, die Ergebnisse hätten das Potenzial, neue Technologien auszulösen.

"Noch vor einigen Jahren bezweifelten Wissenschaftler, dass zweidimensionale Magnete überhaupt möglich sind. Mit der Entdeckung des zweidimensionalen ferromagnetischen VI3 entstand eine neue aufregende Klasse von Materialien. Neue Materialklassen bedeuten immer, dass neue Technologien entstehen werden, sowohl für die Untersuchung solcher Materialien als auch für die Nutzung ihrer Eigenschaften.

Das internationale Team plant nun, mit seinem Mikroskop auch andere zweidimensionale magnetische Materialien sowie komplexere Strukturen zu untersuchen, darunter auch solche, von denen erwartet wird, dass sie eine Schlüsselrolle in der zukünftigen energieeffizienten Elektronik spielen werden.

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