Физики приготовили ферромагнитный сэндвич из оксида графена и дихлорида натрия

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».