Les matériaux magnétiques bidimensionnels constitués d'une ou de quelques couches atomiques ne sont connus que récemment et promettent des applications intéressantes, par exemple pour l'électronique du futur. Cependant, jusqu'à présent, il n'a pas été possible de contrôler suffisamment bien les états magnétiques de ces matériaux.
Une équipe de recherche germano-américaine dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et l'Université de technologie de Dresde (TUD) présente, dans la revue Nano Letters , une idée innovante qui pourrait combler cette lacune en permettant à la couche 2D de réagir avec l'hydrogène.
Les matériaux 2D sont ultra-minces, constitués dans certains cas d’une seule couche atomique. Grâce à leurs propriétés particulières, cette classe encore jeune de matériaux offre des perspectives passionnantes pour la spintronique et le stockage de données. En 2017, les experts ont découvert une nouvelle variante :les matériaux 2D magnétiques. Cependant, il était jusqu'à présent difficile pour ces systèmes de basculer entre deux états magnétiques (une condition préalable à la construction de nouveaux types de composants électroniques) grâce à des influences chimiques ciblées.
Pour surmonter ce problème, une équipe de recherche du HZDR et du TUD dirigée par le jeune chef du groupe de recherche Rico Friedrich a jeté son dévolu sur un groupe spécial de matériaux 2D :des couches obtenues à partir de cristaux dans lesquels existent des liaisons chimiques relativement fortes :ce que l'on appelle les non-van der Waals matériaux 2D.
Il y a vingt ans, les futurs lauréats du prix Nobel de physique Konstantin Novoselov et Andre Geim ont réussi pour la première fois à produire un matériau 2D de manière ciblée. À l’aide d’un ruban adhésif, ils ont décollé une fine couche d’un cristal de graphite, isolant ainsi une couche de carbone monocouche, appelée graphène. Cette astuce simple a fonctionné car les différentes couches de graphite ne sont que faiblement liées chimiquement. C'est d'ailleurs exactement ce qui permet de tracer des lignes sur papier avec un crayon.
"Ce n'est que ces dernières années qu'il a été possible de détacher des couches individuelles de cristaux à l'aide de procédés liquides, dans lesquels les couches sont beaucoup plus fortement liées que dans le graphite", explique Rico Friedrich, responsable du groupe de recherche junior "DRESDEN-concept". AUTOMATIQUE.
"Les matériaux 2D résultants sont chimiquement beaucoup plus actifs que le graphène, par exemple." La raison :ces couches ont des liaisons chimiques insaturées à leur surface et ont donc une forte tendance à se lier avec d'autres substances.
Friedrich et son équipe ont eu l'idée suivante :si l'on faisait réagir la surface réactive de ces matériaux 2D avec l'hydrogène, il devrait être possible d'influencer spécifiquement les propriétés magnétiques des couches minces. Cependant, il n'était pas clair lequel des systèmes 2D était particulièrement adapté à cela.
Pour répondre à cette question, les experts ont passé au peigne fin leur base de données précédemment développée de 35 nouveaux matériaux 2D et ont effectué des calculs détaillés et approfondis en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité.
Le défi était d'assurer la stabilité des systèmes passivés à l'hydrogène en termes d'aspects énergétiques, dynamiques et thermiques et de déterminer l'état magnétique correct, une tâche qui ne pouvait être accomplie qu'avec le soutien de plusieurs centres de calcul haute performance.
Une fois le travail acharné accompli, il restait quatre matériaux 2D prometteurs. Le groupe les a examinés de plus près une fois de plus. "En fin de compte, nous avons pu identifier trois candidats susceptibles d'être activés magnétiquement par passivation à l'hydrogène", rapporte Friedrich. Un matériau appelé titanate de cadmium (CdTiO3 ) s'est avéré particulièrement remarquable :il devient ferromagnétique, c'est-à-dire un aimant permanent, sous l'influence de l'hydrogène.
Les trois candidats traités à l'hydrogène devraient être faciles à contrôler magnétiquement et pourraient donc convenir à de nouveaux types de composants électroniques. Comme ces couches sont extrêmement fines, elles pourraient être facilement intégrées dans des composants plats d'appareils, un aspect important pour des applications potentielles.
"La prochaine étape consiste à confirmer expérimentalement nos découvertes théoriques", explique Rico Friedrich. "Et plusieurs équipes de recherche tentent déjà de le faire, par exemple à l'Université de Kassel et à l'Institut Leibniz de recherche sur les semi-conducteurs et les matériaux à Dresde." Mais au HZDR et au TUD, la recherche sur les matériaux 2D se poursuit également :Friedrich et son équipe travaillent entre autres sur de nouveaux types de matériaux 2D qui pourraient être pertinents pour la conversion et le stockage d'énergie à long terme.
L’accent est mis sur la possible division de l’eau en oxygène et hydrogène. L'hydrogène vert ainsi obtenu pourrait ensuite être utilisé, par exemple, comme moyen de stockage d'énergie lorsque l'énergie solaire et éolienne disponible est insuffisante.
Plus d'informations : Tom Barnowsky et al, Contrôle de l'état magnétique des matériaux 2D non van der Waals par hydrogénation, Nano Letters (2024). DOI :10.1021/acs.nanolett.3c04777
Informations sur le journal : Lettres nano
Fourni par l'Association Helmholtz des centres de recherche allemands
