@ 2021.07.22 , 08:18

首次制得常温下单原子薄的稳定二维磁体

一片仅有单原子厚的材料打破了记录。

这种超薄的晶圆是一种室温下的磁体,为技术的发展,特别是存储设备,以及铁磁和量子物理的研究开辟了新途径。

与之前制作二维磁体的相比,这是一个巨大的进步,因为二维磁体在脱离超冷环境后就会失去磁性和稳定性。

加州大学伯克利分校的材料科学家Jie Yao说:"我们是第一个制造出在常温环境下化学性质稳定的二维磁体。之前最先进的二维磁体需要非常低的温度才能发挥作用。我们的二维磁体不仅是第一个在室温或更高温度下运行的磁铁,而且也是第一个达到真正二维极限的磁铁:单原子厚度!"

这一惊人成果使用一种叫做钴掺杂范德瓦尔斯氧化锌的材料。它是由氧化石墨烯、锌和钴结合而成。氧化石墨烯被浸泡在锌和钴的乙酸二水合物中,精细调控它们的比例。然后在真空中烘烤,混合物慢慢冷却成单层的氧化锌,其中夹杂着钴原子,整体夹在石墨烯层之间。在空气中烘烤的步骤会烧掉石墨烯,留下单层的掺钴氧化锌。

研究小组使用扫描电子显微镜确认该结构的单原子厚度,并使用透射电子显微镜对晶体结构和成分进行逐个原子成像。

由此产生的二维薄膜被发现具有磁性,但具体磁性取决于散布在氧化锌中的钴的数量。在5%到6%左右,磁性相当弱。如果翻倍到大约12%时,材料将具有足够的磁性。

在15%时,材料的磁性会非常强,以至于材料中的局部自旋开始内卷——这可能会阻碍系统内的磁性秩序,所以似乎在12%左右是钴的最佳比例。

有趣的是,该薄膜不仅在室温下保持磁性和化学稳定性,而且在100摄氏度左右的温度下也可保持磁性和化学稳定性——尽管氧化锌不是一种铁磁性材料。

"与以前的二维磁体相比,我们的二维磁体系统显示出独特的机制。"材料科学家和该研究的第一作者、加州大学伯克利分校的Rui Chen说。"我们认为这种独特的机制是源于氧化锌中的自由电子"。

电子,是非常小的磁铁。每个电子都有一个南北磁极和自身的微小磁场。在大多数材料中,电子的磁性方向相互抵消,但在铁磁材料中,电子聚集在一起,形成了它们都具有相同磁性方向的场。在磁性材料中,所有的磁畴都朝向同一方向。

自由电子是那些没有附着在原子核上的电子。研究人员认为,氧化锌中的自由电子可能作为中介发挥作用,使薄膜中的磁性钴原子保持在同一方向上,即使在高温下也是如此。

这当然是值得进一步研究的事情。这种磁性薄膜本身非常灵活,其制造也是可扩展的,这意味着可能性令人神往。

未来的一条研究路径是,原子之间的磁相互作用,这对量子物理学很有意义。另一个则是自旋电子学,即对电子自旋的研究。它也可以用来制造轻质和灵活的存储设备,这些设备依靠切换磁场的方向来编码二进制数据。

未来的分析和计算将有助于更好地了解该材料的局限性。

这项研究已经发表在《自然·通讯》上。

https://www.sciencealert.com/there-s-a-new-record-for-the-world-s-thinnest-magnet


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