Metallisches Schichtmaterial: Chemiker können Magnetismus ein- und ausschalten
Chemiker der Universität Leipzig haben herausgefunden, dass die geringfügige Änderung der Struktur eines zweidimensionalen Schichtmaterials verblüffende Auswirkungen auf dessen magnetische Eigenschaften hat. Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Thomas Heine konnte durch Computersimulationen zeigen, dass eine kleine Veränderung im Bindungsmuster des metallischen Schichtmaterials Niobdisulphid dessen Magnetismus an- und ausschaltet.
"Die Honigwaben-Anordnung des Niobdisulphids ändert sich und wird zu einem Muster aus Achtringen und Vierringen. Die lokale Struktur der Niobatome bleibt dabei jedoch weitgehend unverändert. In der alternativen Anordnung können die Elektronen benachbarter Atome nun direkt miteinander wechselwirken und eine Bindung ausbilden.", erklärt Prof. Heine. Dadurch würden sich die magnetischen Momente der Elektronen aufheben und das Material verliere so seine magnetischen Eigenschaften. Der so entstandene nur sehr schwach magnetische (diamagnetische) Halbleiter könnte Heine zufolge für Anwendungen in der zweidimensionalen Elektronik interessant sein.
"Magnetische Materialien sind faszinierend. Ohne sie gäbe es zum Beispiel keine Elektromotoren, Windräder oder Festplatten", erläutert der Chemiker. Ursache des Magnetismus seien die Elektronen, die ein magnetisches Moment tragen. Dies gelte für alle bekannten Materialien. Allerdings wechselwirken die Elektronen in der Regel so, dass sich deren magnetische Momente gegeneinander aufheben. Daher sind die meisten Materialien nicht oder nur sehr schwach magnetisch. In magnetischen Materialien gibt es einige nicht-wechselwirkende Elektronen, die kollektiv für den Magnetismus verantwortlich sind. Magnetismus in Materialien kann sowohl positive als auch negative Eigenschaften für Anwendungen haben. Er ist für übliche dreidimensionale Materialien weitestgehend erforscht worden. In zweidimensionalen Kristallen ist der Magnetismus noch nicht im Detail untersucht worden. Die theoretischen Berechnungen der Leipziger Forscher müssen nun noch durch Experimente im Labor bestätigt werden.
Das Forschungsgebiet der zweidimensionalen Kristalle wurde durch die Entdeckung von Graphen - einer Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur - durch Konstantin Novoselov und Andre Geim ins Leben gerufen. Im Jahr 2010 wurde ihnen für diese Entdeckung der Nobelpreis verliehen. Bald danach fanden Wissenschaftler weitere zweidimensionale Kristalle mit interessanten Eigenschaften, die heute im Bereich der Opto- und Nanoelektronik Anwendung finden. Einige davon sind halbleitend oder metallisch.
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