Une image au microscope montre des flocons d'oxyde de fer epsilon (III) cultivés sur du mica par les ingénieurs de Rice. Les cristaux presque 2D sont des blocs de construction prometteurs pour l'électronique et la spintronique qui tirent parti de leurs propriétés magnétiques stables. Crédit :le Groupe Lou
Les chercheurs de l'Université Rice ont simplifié la synthèse d'un forme presque bidimensionnelle d'oxyde de fer avec de fortes propriétés magnétiques qui est facile à empiler sur d'autres matériaux 2D.
Le matériel, oxyde de fer (III) epsilon, est prometteur en tant que bloc de construction pour des structures exotiques à l'échelle nanométrique qui pourraient être utiles pour les dispositifs spintroniques, applications électroniques ou de stockage qui tirent parti non seulement de la charge des électrons mais aussi de leurs états de spin.
Des chercheurs de la Brown School of Engineering de Rice et de la Wiess School of Natural Sciences ont rapporté dans le journal de l'American Chemical Society Lettres nano qu'ils avaient produit des paillettes d'oxyde par simple dépôt chimique en phase vapeur. Les paillettes sont facilement transférables à partir de leurs substrats de croissance et conservent leurs propriétés magnétiques sur le long terme à température ambiante.
"L'oxyde de fer n'a rien de nouveau, " a déclaré le scientifique des matériaux de riz et co-chercheur principal Jun Lou. " Mais cette phase epsilon est très rare. En croissance épitaxiale (dans laquelle le cristal s'aligne avec la structure atomique de la surface), la liaison est forte et les cristaux sont difficiles à transférer. Mais une des particularités de cette structure cristalline est qu'elle a une interaction relativement faible avec le substrat. Vous pouvez le ramasser et le mettre sur différentes choses."
Une illustration montre la structure de l'oxyde epsilon-fer(III), un matériau atomiquement mince et stable, empilable et contrairement à d'autres oxydes de fer conserve ses propriétés magnétiques uniques à température ambiante. Crédit :Jiangtan Yuan
"Un matériau magnétique ultrafin comme celui-ci, qui conserve ses propriétés magnétiques jusqu'à température ambiante et peut être intégré à d'autres matériaux par empilement, est très excitant, " a déclaré le physicien de Rice Doug Natelson, co-chercheur principal avec Lou et Scott Crooker du Laboratoire national de Los Alamos. "Ce sera un excellent terrain d'essai pour voir comment les propriétés magnétiques agissent à travers les interfaces, un aspect important concernant les futures technologies de l'information.
Lou a dit que le matériel n'est techniquement pas en 2D, en raison de la structure atomique orthorhombique en forme de prisme qui donne au réseau ses propriétés inhabituelles. « Mais au fond, il a toutes les caractéristiques d'un aimant 2D, " il a dit.
Il a déclaré que d'autres matériaux magnétiques 2D découverts à ce stade ont deux caractéristiques négatives :leur température de Curie est bien inférieure à la température ambiante, ce qui signifie que les matériaux doivent être refroidis pour préserver leurs effets magnétiques, ou les matériaux ne sont pas structurellement stables et se décomposent rapidement dans les conditions ambiantes.
"Notre matériel n'a aucun de ces problèmes, " dit Lou. " C'est stable à l'air et la température de Curie est légèrement supérieure à la température ambiante. Si nous testons le matériel que nous avons cultivé il y a un an maintenant, il montre toujours le même comportement."
L'oxyde d'Epsilon-fer (III) incorpore des atomes d'oxygène (bleu) et des atomes de fer (tout le reste) dans un réseau cristallin avec des propriétés magnétiques qui, contrairement aux autres oxydes de fer, restent stables à température ambiante. Cela fait du matériau presque 2D un bon candidat pour la combinaison avec d'autres matériaux à épaisseur atomique pour de nouvelles applications électroniques et spintroniques. Crédit :Jiangtan Yuan
Si le matériau était aussi épais qu'un aimant de réfrigérateur, ça collerait aussi. "L'effet magnétique est très fort, environ 300 milliTeslas, " dit Lou. " Mais ce matériel ne peut pas exister en vrac. Il passera progressivement d'epsilon à un autre type d'oxyde."
Les chercheurs ont fait pousser les flocons lisses, aussi mince que 5,1 nanomètres, sur des substrats de dioxyde de silicium et de mica. Ils ont testé avec succès sa capacité à se lier via la faible force de van der Waals avec le graphène. Les propriétés magnétiques des flocons, mesuré à Los Alamos, se sont avérés stables à température ambiante avec un champ magnétique compris entre 200 et 400 milliTeslas.
La recherche est le résultat d'une proposition interdisciplinaire Rice IDEA par Lou, Natelson et le chimiste de Rice Gustavo Scuseria pour étudier les propriétés magnétiques des matériaux 2D. Ils prévoient de combiner l'oxyde avec davantage de matériaux 2D pour voir comment son champ magnétique affecte les propriétés des hétérostructures. "Ce processus de couplage interfacial va être très intéressant pour nous, " dit Lou.
Riz ancien élève Jiangtan Yuan, maintenant chercheur postdoctoral à l'Université Northwestern, et Andrew Balk du National High Magnetic Field Laboratory de Los Alamos, Nouveau Mexique, sont co-auteurs principaux de l'étude. Les co-auteurs sont le professeur assistant de recherche Hua Guo, les étudiants diplômés Qiyi Fang et Xuanhan Zhao, Sahil Patel et le spécialiste de recherche Tanguy Terlier de la Shared Equipment Authority de Rice. Crooker est un membre du personnel technique du National High Magnetic Field Laboratory. Natelson est professeur de physique et d'astronomie, du génie électrique et informatique et de la science des matériaux et de la nano-ingénierie. Lou est professeur de science des matériaux et nano-ingénierie et de chimie.
