Les théoriciens de l'Université Rice ont découvert que des champs magnétiques (bleu) sont créés aux joints de grains dans les dichalcogénures bidimensionnels. Dislocations le long de ces limites, où les atomes sont jetés hors de leurs motifs hexagonaux réguliers, force l'électron à tourner dans des alignements qui favorisent le magnétisme. Crédit :Zhuhua Zhang/Université du riz
Quand vous serrez des atomes, vous n'obtenez pas de jus d'atome. Vous obtenez des aimants.
Selon une nouvelle théorie des scientifiques de l'Université Rice, les imperfections de certains matériaux bidimensionnels créent les conditions d'apparition des champs magnétiques à l'échelle nanométrique.
Les calculs du laboratoire du physicien théoricien Rice Boris Yakobson montrent ces imperfections, appelés joints de grains, dans les matériaux semi-conducteurs bidimensionnels connus sous le nom de dichalcogénures peuvent être magnétiques. Cela peut conduire à de nouvelles stratégies pour le domaine en pleine croissance de la spintronique, qui tire parti du spin intrinsèque des électrons et de leurs champs magnétiques associés pour les appareils électroniques et informatiques.
La découverte par Yakobson, l'auteur principal Zhuhua Zhang et leurs collègues ont été rapportés en ligne cette semaine dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano .
Les dichalcogénures sont des hybrides qui combinent des atomes de métal de transition et de chalcogène, qui contiennent du soufre, sélénium et tellure. Le groupe Yakobson s'est concentré sur le bisulfure de molybdène semi-conducteur (MDS) qui, comme le graphène d'épaisseur atomique, peut être cultivé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), entre autres méthodes. Dans un four CVD, les atomes s'arrangent autour d'une graine de catalyseur en motifs hexagonaux familiers; cependant, dans le cas de MDS, les atomes de soufre dans le réseau flottent alternativement au-dessus et au-dessous de la couche de molybdène.
Lorsque deux fleurs en croissance se rencontrent, il est très peu probable qu'ils s'alignent, donc les atomes trouvent un moyen de se connecter le long de la frontière, ou joint de grain. Au lieu d'hexagones réguliers, les atomes sont forcés de trouver l'équilibre en formant des anneaux contigus appelés dislocations, avec cinq plus sept nœuds ou quatre plus huit nœuds.
Dans le graphène, qui est généralement considéré comme le matériau le plus résistant sur Terre, ces luxations sont des points faibles. Mais dans les MDS ou autres dichalcogénures, ils ont des propriétés uniques.
Dans une feuille parfaite de bisulfure de molybdène, à gauche, les atomes de soufre (jaune) et les atomes de molybdène (bleu) apparaissent dans un motif hexagonal parfait lorsqu'ils sont vus d'en haut, bien que les atomes de soufre flottent juste au-dessus et au-dessous de la couche de molybdène. Lorsque deux feuilles se joignent à un angle, droit, les dislocations perturbent les hexagones. À ces points, selon de nouvelles recherches à l'Université Rice, des champs magnétiques peuvent se former. La découverte pourrait stimuler la recherche en spintronique pour l'électronique et l'informatique. Crédit :Zhuhua Zhang/Université du riz
"Peu importe comment vous les cultivez, " a déclaré Yakobson. " Ces zones mal orientées finissent par entrer en collision, et c'est là que vous trouvez des défauts topologiques. Il s'avère que - et j'aime cette métaphore mécaniste - ils extraient le magnétisme d'un matériau non magnétique."
Dans des travaux antérieurs, Yakobson a découvert que les dislocations créent des lignes conductrices de largeur atomique et des polyèdres en forme de dreidel dans le MDS. Cette fois, l'équipe a creusé plus profondément pour découvrir que les noyaux de dislocation deviennent magnétiques où ils forcent les électrons en rotation à s'aligner de manière à ne pas s'annuler les uns les autres, comme ils le font dans un réseau impeccable. La force des aimants dépend de l'angle de la frontière et augmente avec le nombre de dislocations nécessaires pour maintenir le matériau énergétiquement stable.
"Chaque électron a une charge et un spin, qui peuvent tous deux transporter des informations, " dit Zhang. " Mais dans les transistors conventionnels, nous n'exploitons que la charge, comme dans les transistors à effet de champ. Pour les dispositifs spintroniques nouvellement apparus, nous devons contrôler à la fois la charge et l'essorage pour une efficacité accrue et des fonctions enrichies."
Les dislocations atomiques peuvent devenir magnétiquement chargées lorsque des feuilles bidimensionnelles de bisulfure de molybdène et d'autres dichalcogénures se rencontrent à un angle, selon les calculs des théoriciens de l'Université Rice. Les joints de grains forcent les atomes à sortir de leurs motifs hexagonaux (à gauche) et empêchent les spins des électrons de s'annuler, créant des champs magnétiques à l'échelle nanométrique (à droite, en bleu) dans le processus. Crédit :Zhuhua Zhang/Université du riz
"Notre travail suggère un nouveau degré de liberté - un nouveau bouton de contrôle - pour l'électronique utilisant le MDS, " Yakobson a déclaré. " La capacité de contrôler les propriétés magnétiques de ce matériau 2-D le rend supérieur au graphène à certains égards. "
Il a déclaré que les anneaux de dislocation de quatre et huit atomes ne sont pas énergétiquement favorisés dans le graphène et qu'il est peu probable qu'ils s'y produisent. Mais dans les matériaux qui mélangent deux éléments, certaines configurations de joints de grains créeront très probablement des conditions où des éléments similaires, souhaitant éviter tout contact entre eux, se liera à la place avec leurs opposés chimiques.
"Le système évite les liaisons mono-élémentaires, " Yakobson a dit. " La chimie n'aime pas ça, donc quatre-huit offre un avantage. » Ces défauts sont également les plus fortes sources de magnétisme à certains angles de joint de grain, il a dit; sous certains angles, les frontières deviennent ferromagnétiques.
L'équipe a prouvé sa théorie grâce à des modèles informatiques conçus pour isoler et contrôler les effets des bords des nanorubans et des dipôles aux joints de grains qui pourraient fausser les résultats. Ils ont également déterminé que les angles de joint de grain entre 13 et 32 degrés forcent un chevauchement progressif entre les spins des dislocations. Avec un chevauchement suffisant, les spins deviennent magnétiquement couplés et s'élargissent en bandes électroniques qui supportent le transport de charge polarisé en spin le long de la frontière.
Maintenant, Yakobson a dit, "Le défi est de trouver un moyen de détecter expérimentalement ces choses. Il est assez difficile de le résoudre à cette résolution spatiale, surtout lorsque certaines des méthodes expérimentales, comme des faisceaux d'électrons, détruirait le matériel."
