Физики приготовили ферромагнитный сэндвич из оксида графена и дихлорида натрия. Причиной ферромагнетизма стали p-орбитали атомов хлора

Физики создали многослойную структуру, которая продемонстрировала ферромагнитные свойства при комнатной температуре. Для этого кристалл NaCl2 поместили между двумя мембранами из оксида графена. При этом ферромагнетизм ученые объяснили локализацией спиновых моментов в атомах Cl, что, в свою очередь, обусловлено p-орбиталями элемента (в отличие от Fe, Co или Ni, в которых подобные свойства возникают за счет d-орбиталей). Благодаря таким экзотическим параметрам двумерный материал может оказаться полезным для электроники и спинтроники. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.

Ученые постоянно ищут новые материалы, которые могли бы существенно продвинуть вперед развитие электроники и спинтроники. С момента открытия ферромагнитных свойств у двумерных материалов физики перепробовали множество комбинаций анион-катионных структур, среди которых, например, галогениды ванадия, теллуриды хрома и селенид марганца. Дело в том, что в таких сэндвичных структурах межслоевое взаимодействие между двумя соседними ионными слоями ослаблено за счет отталкивающих кулоновских сил между отрицательно заряженными ионами — как раз это позволяет материалу стабилизироваться в виде одного, двух или трех слоев.

На сегодняшний день самыми хорошо изученными и перспективными с точки зрения спинтроники двумерными материалами стали теллуриды хрома: это произошло в первую очередь благодаря их естественным ферромагнитным свойствам, которые сохраняются при комнатной температуре. При этом исследований, посвященных хлоридам щелочных металлов, не проводилось, что в основном связано с большими трудностями в достижении соответствующих стехиометрических соотношений (например, хлорид натрия, который мы употребляем в пищу каждый день, и NaCl2, который не существует в природе в стабильном состоянии, поскольку необходимо слишком много энергии, чтобы удерживать это соединение от распада).

Цзянь Цзе (Jie Jiang) из Университета Нинбо совместно со своими коллегами из Китая получил стабильные в условиях окружающей среды двумерные кристаллы дихлорида натрия, заключенные между двумя слоями оксида графена. Для этого физики приготовили мембраны с положительным дзета-потенциалом из оксида графена, погрузили их на ночь в раствор NaCl, а затем центрифугировали и осушили в условиях вакуума для удаления свободного состава.

Чтобы охарактеризовать полученные образцы, экспериментаторы вручную отшелушили мембраны до ультратонких срезов и поместили их в просвечивающий электронный микроскоп, который показал сотовую структуру кристаллов с постоянной решетки 3,20 ± 0,23 ангстрема. Также ученые измерили атомные соотношения натрия и хлора с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и убедились в том, что количество атомов Cl превзошло количество атомов Na в кристалле почти точно в два раза (это подтвердило тот факт, что авторам работы удалось синтезировать именно NaCl2).

Помимо этого исследователи обнаружили ферромагнитные свойства дихлорида натрия, измерив кривые намагничивания в зависимости от приложенного магнитного поля и температуры. Во-первых, физики определили точку перехода, заметив, что при превышении порога в 320 кельвин коэрцитивная сила практически исчезает. Во-вторых, благодаря рентгеновской абсорбционной спектроскопии экспериментаторы доказали, что ферромагнитные свойства материала связаны именно с дихлоридом натрия, а не с ферромагнетизмом оксида графена или загрязнением образца частицами железа, кобальта или никеля.

В заключение авторы работы объяснили удивительные ферромагнитные свойства NaCl2: хотя и натрий, и хлор по отдельности не проявляют никаких магнитных свойств, при соединении в дихлорид натрия все спиновые моменты локализуются на атомах хлора (причем эта локализация обусловлена p-орбиталями Cl, в то время как магнетизм Fe, Co и Ni возникает за счет d-орбиталей). Также физики отметили, что исследование подобных экзотических структур с уникальными свойствами имеет большой потенциал в области микроэлектроники и спинтроники.

Наноматериалы, в том числе двумерные, давно стали частью современной электроники: о краткой истории развития нанотехнологий читайте в нашем материале «Не блоху подковать».

Источник