Magnetismen i overgangsmetall-disulfider (TMD) som MoS2, MoSe2, WS2 og MoTe2 er et emne som har tiltrukket betydelig oppmerksomhet de siste årene. Spesielt er effektene av dopning og fasetransformasjoner på de magnetiske egenskapene i disse materialene et sentralt tema for utvikling av nye teknologier som spintronikk. Gjennom dopning med forskjellige metaller som Ni, Co, Fe og Mn, samt faseoverganger mellom forskjellige krystallstrukturer, har forskere vært i stand til å manipulere magnetismen i disse to-dimensjonale materialene.

En viktig mekanisme som fremmer magnetisme i dopede TMD-er er p-d hybridisering, en interaksjon mellom overgangsmetall-atomer (som Ni) og deres nærliggende svovelatomer. Denne interaksjonen kan føre til ferromagnetisk orden i systemer som er dopet med Ni, som sett i Ni-dopede monolag. I tillegg, som påvist av Luo et al. (2016), kan magnetismen i Ni-dopede monolagssystemer oppstå på grunn av en ferromagnetisk interaksjon mellom Ni og sine nabo-atomer.

Andre metaller, som Co, kan også føre til ferromagnetiske egenskaper, som påvist i Co-dopede WS2 monolag (Jena et al., 2022). I denne studien ble det funnet at Co-doping i et ellers ikke-magnetisk WS2 monolag fremkaller ferromagnetisme med et magnetisk moment på 2,58 μB. Videre fører påføring av mekanisk strekk til økning i det magnetiske momentet, som viser hvordan ekstern påkjenning kan kontrollere magnetiske egenskaper. Spesielt øker et 2% strekk det magnetiske momentet til 3,25 μB, mens et 2% kompresjonsstrekk reduserer det til 2,69 μB.

Forskningsarbeid utført av Zhao et al. (2016) utforsket dopning med forskjellige metaller som Ni, Pd og Pt på WS2. Deres resultater viste at monolagene av WS2 som var dopet med disse metallene, utviklet ferromagnetisk atferd, med magnetiske momenter på henholdsvis 3,213 µB, 2,841 µB og 2,920 µB for Ni-, Pd- og Pt-dopede systemer. Dette beviser at selv små mengder overgangsmetalldopning kan ha en betydelig innvirkning på de magnetiske egenskapene til TMD-materialer.

I tillegg til dopning, kan også strukturelle fasetransformasjoner fremkalle magnetisme. Dette gjelder spesielt for MoS2, som i sin 2H-fase er diamagnetisk, men som i 1T-fasen oppviser ferromagnetiske egenskaper. Denne faseovergangen kan oppnås gjennom eksfoliering og Li-interkalisering, som vist av Yan et al. (2015). I 1T MoS2 er magnetiske momenter hovedsakelig lokalisert på Mo-atomene, mens det i 2H-fasen ikke finnes noe netto magnetisk moment, bortsett fra ved kantatomene. Dette fenomenet understreker viktigheten av fasetransformasjoner som en vei for å fremkalle ønsket magnetisme i materialer som tidligere ikke har vist slike egenskaper.

Et annet viktig aspekt er at strukturelle endringer kan påvirke både magnetisk moment og stabilitet. For eksempel, i MoTe2, har dopning med Re og påføring av strekk fører til faseoverganger fra 2H til 1Tʹ, og i denne fasen blir materialet ferromagnetisk. Zhao et al. (2020) viste at MoTe2, når det er dopet med Re, kan oppnå ferromagnetiske egenskaper ved forskjellige konsentrasjoner av dopingen. I tillegg viste deres studier at spenning kan forsterke disse magnetiske egenskapene, som gjør dette materialet spesielt interessant for applikasjoner der kontroll over magnetisme er viktig.

Dopning og fasetransformasjoner har også vist seg å ha en direkte innvirkning på termiske egenskaper. I flere av studiene som er nevnt, har det blitt påvist at de kritiske temperaturene for ferromagnetisme ligger betydelig under romtemperatur, med høyeste viste verdi på 224 K for V-dopede MoSe2. Dette setter en grense for praktisk bruk av disse materialene i applikasjoner som krever magnetiske egenskaper ved romtemperatur, som for eksempel spintroniske enheter.

En annen interessant egenskap er den forskjelligartede naturen til magnetismen i ulike TMD-materialer. For eksempel, når Mn eller Fe er dopet i MoS2 eller MoSe2, har de en tendens til å fremkalle in-plan magnetiske ordeningstyper, mens Co og Ni-dopede systemer kan fremkalle en mer kompleks struktur med både kort- og langdistanse-interaksjoner.

Til slutt viser studier av fluorid-dopede WS2 at det er mulig å induse både faseoverganger og økt magnetisering i 2D-materialer. Radhakrishnan et al. (2018) påviste at fluorid-dopning kan forvandle WS2 fra 2H til 1T-fase, og samtidig forbedre materialets magnetiske egenskaper.

Disse forskningsresultatene åpner flere muligheter for utvikling av nye materialer med tilpassede magnetiske egenskaper for spesifikke teknologiske applikasjoner, særlig innen spintronikk, hvor kontroll over magnetiske egenskaper på atomnivå er avgjørende.

Hvordan Temperatur Påvirker Magnetisering i Antiferromagnetiske og Ferrimagnetiske Materialer

Magnetiske materialers egenskaper endres i betydelig grad med temperatur, og dette kan observeres tydelig i antiferromagnetiske og ferrimagnetiske materialer. Når temperaturen øker, oppstår tilfeldige orienteringer av magnetiske moment, noe som endrer materialets magnetiske egenskaper. Denne prosessen forklares videre gjennom to typer materialer som begge har unike egenskaper når de utsettes for temperaturendringer.

Antiferromagnetisme ble først beskrevet av Néel i 1936, og det er et fenomen hvor magnetiske momenter i et materiale er antiparallelle, det vil si at nabo-atomer har motsatte magnetiske momenter. Denne antiparallelliteten skjer under lave temperaturer, og materialet viser en form for magnetisering som forsvinner ved høyere temperaturer. Néels teori beskriver at antiferromagnetiske materialer har to substrukturer i krystallstrukturen, hvor spinne i den ene substrukturen er antiparallelle til de i den andre. Denne ordningen av magnetiske momenter brytes ved en kritisk temperatur, kjent som Néel-temperaturen. Når temperaturen overskrider denne grensen, oppfører materialet seg som et paramagnetisk stoff, hvor magnetisering skjer tilfeldig i forhold til magnetfeltet.

Néel videreutviklet forståelsen av antiferromagnetisme ved å vise at magnetiske interaksjoner mellom substrukturene skjer gjennom en mekanisme kalt superutveksling (M-L-M), hvor M representerer magnetiske ioner og L representerer et ikke-magnetisk ion som oksygen. Et konkret eksempel på et antiferromagnetisk materiale er MnO, som har en Néel-temperatur på 122 K. I MnO oppstår superutveksling mellom Mn²⁺- og O²⁻-ionene.

I kontrast til antiferromagnetisme står ferrimagnetisme, et fenomen som ble beskrevet av Louis Néel i 1948. Ferrimagnetisme oppstår i materialer hvor det er to substrukturer med magnetiske moment som er antiparallelle, men med ulik styrke. Dette fører til en nettomagnetisering som ikke er null, i motsetning til antiferromagnetiske materialer hvor de antiparallelle momentene kansellerer ut hverandre. Ferrimagnetiske materialer er vanligvis delt inn i to typer understrukturer: AO₄ (hvor A er et sentralt metallion og O representerer oksygenioner) og BO₆ (hvor B er et annet metallion). Et kjent eksempel på ferrimagnetisme er magnetitt (Fe₃O₄), som har en invers spinellstruktur og viser en typisk ferrimagnetisk oppførsel ved romtemperatur.

Ferrimagnetiske materialer er ofte sammensatt av en blanding av ferromagnetiske og antiferromagnetiske egenskaper, hvor magnetiseringen avhenger sterkt av fordelingen av metallioner i de ulike understrukturene. For eksempel kan magnetitt (Fe₃O₄) ha en høyere magnetisering når jernionene er fordelt i de ulike posisjonene i det kubiske spinellgitteret, og dette fører til et netto magnetisk moment. Magnetit viser en metning på rundt 90 emu/g ved romtemperatur, som er mindre enn ren jern (218 emu/g), et resultat av superutveksling mellom Fe²⁺ og Fe³⁺-ionene i forskjellige substrukturer.

Når det gjelder effekten av temperatur på magnetiseringen, er det viktig å merke seg at ved høyere temperaturer vil varmebevegelsen til atomene i materialet føre til uorden i deres magnetiske momenter. I antiferromagnetiske materialer fører dette til en overgang fra en ordnet til en uordnet tilstand ved Néel-temperaturen. På samme måte vil ferrimagnetiske materialer også oppleve en reduksjon i netto magnetisering med økende temperatur, ettersom de magnetiske momentene i de ulike substrukturene blir mer tilfeldig orientert.

Når vi ser på partikkelstørrelsens effekt på magnetiske materialer, merker vi at materialets magnetiske egenskaper kan endre seg dramatisk når partikkelstørrelsen reduseres. Dette gjelder særlig for ferromagnetiske og paramagnetiske materialer, hvor små partikler kan vise økt magnetisk respons. For eksempel, selv om bulk ZnO er diamagnetisk, kan nanometerstørrelser av ZnO vise svake ferromagnetiske egenskaper på grunn av mangel på stokiometrisk orden i materialet. Partikkelstørrelse påvirker også andre magnetiske egenskaper som koersivitet (Hc), og disse endringene kan være kritiske i applikasjoner som magnetisk lagring og nanoteknologi.

En annen viktig aspekt ved magnetiske materialer som bør forstås, er sammenhengen mellom densitet, atomstørrelse og magnetisk susceptibilitet. For eksempel, i paramagnetiske materialer som oksygen ved 20 °C, varierer magnetisk susceptibilitet avhengig av de spesifikke enhetene som brukes til å beskrive materialet (CGS eller SI-enheter). Ved å bruke Bohr-magneton kan vi beregne magnetiske moment og konvertere disse målingene til relevante enheter, som er nødvendig for å forstå hvordan ulike materialer reagerer på magnetiske felt under forskjellige temperaturer.

Det er også avgjørende å merke seg at når vi utfører beregninger for spesifikk magnetisering, må man ta hensyn til den diamagnetiske bidraget fra materialet. For eksempel, når man beregner den spesifikke magnetiseringen av oksygenmolekyler i et sterkt magnetfelt, må eventuelle diamagnetiske effekter fjernes for å få en nøyaktig verdi for den totale magnetiseringen.

Hva kan defekter i BiFeO3 avsløre om fremtidens elektroniske enheter?

Bismuth ferrite (BiFeO3) er et velkjent romtemperatur multiferroisk materiale, og det har vært mye forskning på dette stoffet i over to tiår. Til tross for betydelige fremskritt, er det fortsatt mye vi ikke vet om hvordan defekter og tilhørende spenninger kan endre de fysiske egenskapene til materialet. Selv om bismuth ferrite har vært kjent for sine magnetoelektriske og spintronic egenskaper, er det fremdeles mange utfordringer med å utvikle praktiske enheter som kan lagre informasjon både elektrisk og magnetisk. En av de største utfordringene ligger i å lese de svake magnetiske endringene som oppstår ved elektrisk omkobling.

BiFeO3 har fått oppmerksomhet på grunn av sine unike egenskaper som kan benyttes i mange forskjellige teknologiske applikasjoner som fotokatalyse, vannrensing, elektrokatalysatorer, solceller og fotoferroelektriske enheter. Alle disse bruksområdene er avhengige av å manipulere kationenes plassering og den resulterende effekten på materialets strukturelle egenskaper. Det er en rekke rapporter som beskriver hvordan ulike morfologier av BiFeO3, for eksempel tynne filmer og nanostrukturer, kan forbedre materialets ytelse for slike applikasjoner.

En vanlig metode for å forbedre magnetoelektrisk kobling i BiFeO3 er ved å erstatte enten Bi3+ eller Fe3+ med andre kationer. Dette kan påvirke den cycloidale spin-strukturen til Fe3+-ionene i forbindelsen. Men dopingen fører også med seg andre fenomener som defekter og mekaniske spenninger i materialet, som igjen kan ha både positive og negative effekter på de ønskede egenskapene. Det er klart at vi trenger en bedre forståelse av hvordan disse fenomenene samhandler for å kunne kontrollere materialets egenskaper på en mer presis måte.

En stor utfordring for tradisjonelle BiFeO3-applikasjoner er å utvikle minner hvor informasjon kan lagres elektrisk og leses magnetisk. Selv om det er lettere å oppnå elektrisk omkobling, er det langt mer utfordrende å lese de relativt svake magnetiske endringene. Det har vært foreslått at en løsning på dette problemet kan være å syntetisere hybride strukturer som kombinerer både ferromagnetisk og antiferromagnetisk ordning, eller å bruke teknikker som kan forsterke ferromagnetiske komponenter i BiFeO3 til et nivå som gjør det mulig å lese de magnetiske endringene. Disse tilnærmingene er sterkt avhengige av defekter og spenninger i materialet, og hvis ikke disse faktorene reguleres nøye, kan de resultere i uønskede effekter.

Når det gjelder de mer fundamentalte utfordringene knyttet til defekter, er det klart at en dypere innsikt i defektfysikken er nødvendig. Forståelsen av hvordan defekter påvirker de fysiske egenskapene til BiFeO3 kan åpne døren for nye teknologier som er basert på dette materialet, som minne-enheter, magnetoelektriske sensorer, spintronikk, fotodetektorer og fotovoltaiske enheter. Forskning på hvordan defekter og spenninger påvirker disse egenskapene har stor betydning for fremtidens utvikling av avanserte elektroniske enheter.

For å virkelig forstå og kontrollere BiFeO3 og andre relaterte forbindelser, er det viktig å ha en helhetlig tilnærming som inkluderer defekt- og spenningsteknologi. Gjennom å forstå de komplekse sammenhengene mellom struktur og egenskaper, kan vi legge grunnlaget for materialer som utnytter defektene på en kontrollert måte for å fremme ønskede fysiske egenskaper. Dette er et område som har stor betydning for materialforskere, og defektstyring i oksider er en lovende vei for å forbedre og tilpasse egenskapene til disse materialene.

Hvordan fungerer desentraliserte børser og plattformene for samlet handel?
Hvordan lage en smaksrik grønnsaksgryte med aubergine og sveitsisk chard
Hvordan de klassiske bilene ble ikoner og deres rolle i motorsportens historie
Hvordan Lineær Respons Funksjonerer i Fysiske Systemer
Hvordan integrering av menneskelig tilsyn og sikkerhetsbarrierer styrker autonome systemer