Os teóricos da Rice University descobriram que campos magnéticos (azuis) são criados nos limites dos grãos em dichalcogenetos bidimensionais. Deslocamentos ao longo desses limites, onde os átomos são jogados fora de seus padrões hexagonais regulares, o elétron de força gira em alinhamentos que favorecem o magnetismo. Crédito:Zhuhua Zhang / Rice University
Quando você comprime átomos, você não consegue suco de átomo. Você obtém ímãs.
De acordo com uma nova teoria de cientistas da Rice University, imperfeições em certos materiais bidimensionais criam as condições pelas quais surgem campos magnéticos em nanoescala.
Cálculos do laboratório do físico teórico de Rice, Boris Yakobson, mostram essas imperfeições, chamados limites de grãos, em materiais semicondutores bidimensionais conhecidos como dichalcogenetos podem ser magnéticos. Isso pode levar a novas estratégias para o crescente campo da spintrônica, que aproveita o spin intrínseco dos elétrons e seus campos magnéticos associados para dispositivos eletrônicos e de computação.
A descoberta de Yakobson, O autor principal Zhuhua Zhang e seus colegas foi relatado online esta semana no jornal American Chemical Society ACS Nano .
Dichalcogenides são híbridos que combinam átomos de metal de transição e calcogênio, que incluem enxofre, selênio e telúrio. O grupo Yakobson se concentrou em dissulfeto de molibdênio semicondutor (MDS) que, como grafeno com a espessura de um átomo, pode ser cultivado por meio de deposição de vapor químico (CVD), entre outros métodos. Em um forno CVD, os átomos se organizam em torno de uma semente de catalisador em padrões hexagonais familiares; Contudo, no caso de MDS, átomos de enxofre na rede flutuam alternadamente acima e abaixo da camada de molibdênio.
Quando duas flores em crescimento se encontram, eles são altamente improváveis de se alinharem, então os átomos encontram uma maneira de se conectar ao longo da fronteira, ou limite de grão. Em vez de hexágonos regulares, os átomos são forçados a encontrar o equilíbrio formando anéis adjacentes conhecidos como deslocamentos, com cinco mais sete nós ou quatro mais oito nós.
No grafeno, que geralmente é considerado o material mais forte da Terra, esses deslocamentos são pontos fracos. Mas em MDS ou outros dichalcogenídeos, eles têm propriedades únicas.
Em uma folha perfeita de dissulfeto de molibdênio, à esquerda, átomos de enxofre (amarelos) e átomos de molibdênio (azuis) aparecem em um padrão hexagonal perfeito quando vistos de cima, embora os átomos de enxofre flutuem logo acima e abaixo da camada de molibdênio. Quando duas folhas se unem em um ângulo, direito, deslocamentos interrompem os hexágonos. Nesses pontos, de acordo com uma nova pesquisa da Rice University, campos magnéticos podem se formar. A descoberta pode impulsionar a pesquisa em spintrônica para eletrônica e computação. Crédito:Zhuhua Zhang / Rice University
"Não importa como você os cultiva, "Yakobson disse." Essas áreas desorientadas eventualmente colidem, e é aí que você encontra defeitos topológicos. Acontece que - e eu gosto dessa metáfora mecanicista - eles espremem o magnetismo do material não magnético. "
Em trabalhos anteriores, Yakobson descobriu que os deslocamentos criam linhas condutoras da largura do átomo e poliedros em forma de dreidel no MDS. Desta vez, a equipe cavou mais fundo para descobrir que os núcleos de deslocamento tornam-se magnéticos, onde forçam os elétrons girando a se alinharem de forma que não se cancelem, como fazem em uma rede perfeita. A força dos ímãs depende do ângulo da fronteira e aumenta com o número de deslocamentos necessários para manter o material energeticamente estável.
"Cada elétron tem carga e spin, ambos podem transportar informações, "Zhang disse." Mas em transistores convencionais, nós apenas exploramos a carga, como em transistores de efeito de campo. Para dispositivos spintrônicos recém-surgidos, precisamos controlar a carga e o giro para aumentar a eficiência e funções enriquecidas. "
Os deslocamentos atômicos podem se tornar magneticamente carregados quando as folhas bidimensionais de dissulfeto de molibdênio e outros dichalcogenetos se encontram em um ângulo, de acordo com cálculos de teóricos da Rice University. Os limites dos grãos forçam os átomos para fora de seus padrões hexagonais (à esquerda) e evitam que os spins dos elétrons se cancelem, criando campos magnéticos em nanoescala (direita, em azul) no processo. Crédito:Zhuhua Zhang / Rice University
"Nosso trabalho sugere um novo grau de liberdade - um novo botão de controle - para eletrônicos que usam MDS, "Yakobson disse." A capacidade de controlar as propriedades magnéticas deste material 2-D o torna superior ao grafeno em certos aspectos. "
Ele disse que os anéis de deslocamento de quatro e oito átomos não são energeticamente favorecidos no grafeno e improváveis de ocorrerem lá. Mas nos materiais que misturam dois elementos, certas configurações de contorno de grão muito provavelmente criarão condições em que elementos semelhantes, desejando evitar o contato uns com os outros, em vez disso, se ligarão a seus opostos químicos.
"O sistema evita ligações mono-elementares, "Yakobson disse." A química não gosta disso, portanto, quatro-oito oferece um benefício. "Esses defeitos também são as fontes mais fortes de magnetismo em certos ângulos de contorno de grão, ele disse; em alguns ângulos, as fronteiras tornam-se ferromagnéticas.
A equipe provou sua teoria por meio de modelos de computador projetados para isolar e controlar os efeitos das bordas das nanofitas e dipolos de contorno de grão que poderiam distorcer os resultados. Eles também determinaram que os ângulos de contorno dos grãos entre 13 e 32 graus forçam uma sobreposição progressiva entre os giros dos deslocamentos. Com sobreposição suficiente, os spins se acoplam magneticamente e se expandem em bandas eletrônicas que suportam o transporte de carga polarizada por spin ao longo da fronteira.
Agora, Yakobson disse, "O desafio é encontrar uma maneira de detectar experimentalmente essas coisas. É muito difícil resolvê-lo nesta resolução espacial, especialmente quando alguns dos métodos experimentais, como feixes de elétrons, destruiria o material. "
