由一个或几个Atom层组成的磁性二维材料直到最近才被人们所知，并有望带来有趣的应用，例如未来的电子产品。 然而到目前为止，还无法很好地控制这些材料的磁性状态。 由亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫中心 (HZDR) 和德累斯顿工业大学 (TUD) 领导的德美研究小组现在在《Nano快报》杂志上提出了一个可以克服这一缺点的创新想法——通过允许 2D 层与氢气反应。
二维材料超薄，在某些情况下由单个Atom层组成。 由于其特殊的性质，这种仍然年轻的材料为自旋电子学和数据存储提供了令人兴奋的前景。 2017 年，专家发现了一种新的变体——磁性二维材料。 然而，到目前为止，这些系统很难通过有针对性的化学影响在两种磁态之间来回切换——这是构建新型电子元件的先决条件。 为了克服这个问题，由初级研究小组组长 Rico Friedrich 领导的 HZDR 和 TUD 的研究小组将目光投向了一组特殊的二维材料：从晶体中获得的层，其中存在相对较强的化学键：所谓的非 Van德华二维材料。
二十年前，后来的物理学诺贝尔奖获得者康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和安德烈·海姆（Andre Geim）首次能够有针对性地生产二维材料：他们使用胶带从石墨晶体上剥离了一层薄层，从而隔离了单晶材料。层碳，即所谓的石墨烯。 这个简单的技巧奏效了，因为石墨的各个层只是松散地化学结合。 顺便说一句，这正是可以用铅笔在纸上画线的原因。
“直到最近几年，才有可能使用基于流动性的工艺将各个层从晶体上分离出来，其中各层的结合力比石墨中的结合力更强，”“德累斯顿概念”初级研究小组负责人 Rico Friedrich 解释道。自动化。 “例如，由此产生的二维材料比石墨烯更具化学活性。” 原因是：这些层的表面具有不饱和化学键，因此很容易与其他物质结合。
把35变成4
弗里德里希和他的团队提出了以下想法：如果这些二维材料的反应表面与氢发生反应，那么应该有可能专门影响薄层的磁性。 然而，尚不清楚哪种 2D 系统特别适合于此。 为了回答这个问题，专家们梳理了之前开发的 35 种新型二维材料数据库，并利用密度泛函理论进行了详细而广泛的计算。 面临的挑战是确保氢钝化系统在能量、动态和热方面的稳定性，并确定正确的磁状态——这项任务只有在多个高性能计算中心的支持下才能完成。
当艰苦的工作完成后，剩下了四种有前途的二维材料。 该小组再次仔细研究了这些。 “最终，我们能够识别出三种可以通过氢钝化磁激活的候选物，”弗里德里希报告说。 一种名为钛酸镉（CdTiO3）的材料被证明是特别引人注目的——它通过氢的影响而变成铁磁性的，即永磁体。 用氢处理的三种候选材料应该易于磁控制，因此适合新型电子元件。 由于这些层非常薄，因此可以轻松集成到平面设备组件中——这是潜在应用的一个重要方面。
实验已经在进行中
“下一步是通过实验证实我们的理论发现，”里科·弗里德里希说。 “一些研究团队已经在尝试这样做，例如卡塞尔大学和德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所。” 但在 HZDR 和 TUD，对 2D 材料的研究仍在继续：除其他外，Friedrich 和他的团队正在研究可能与长期能量转换和存储相关的新型 2D 材料。 焦点之一是水可能分解为氧气和氢气。 通过这种方式获得的绿色氢可以用作太阳能和风能太少时的能量存储Medium。
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