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La magnetización en nanocristales ultrafinos ofrece nuevas vías para explorar la física novedosa y desarrollar electrónica flexible de próxima generación. Sin embargo, hay muy pocos estudios para desarrollar un semiconductor magnético 2D con temperaturas de Curie por encima de la temperatura ambiente.
Estudio: Nanoláminas de ferrita ultrafinas para semiconductores magnéticos bidimensionales a temperatura ambiente. Crédito de la foto: Gorodenkoff/Shutterstock.com
Un estudio reciente publicado en la revista Nature Communications se centra en la fabricación de nanoláminas de ferrita de cobalto semiconductoras estables en el aire con un grosor de solo una celda unitaria mediante una técnica simple de CVD (deposición química de vapor).
Materiales bidimensionales (2D) para aplicaciones magnéticas
Los materiales bidimensionales (2D), que abarcan prácticamente todas las fases y funciones eléctricas de los materiales cristalinos, han despertado la curiosidad de muchos investigadores debido a sus propiedades únicas, su notable eficiencia y su espesor extremadamente delgado. El orden magnético 2D, junto con las significativas fluctuaciones de espín inherentes, se puede encontrar en capas delgadas de varios materiales 2D a nivel atómico.
Dichos materiales allanan el camino para nuevas posibilidades, como sensores electromagnéticos y almacenamiento de datos. Los materiales ferromagnéticos 2D deben tener estados magnéticos inherentes que sean robustos a la temperatura ambiente o por encima de ella para poder fabricar sistemas semiconductores prácticos. Los sensores magnéticos fabricados con óxidos de hierro y telururos de cromo multicapa indican avances recientes en este campo.
Sin embargo, un semiconductor magnético 2D a temperatura ambiente con un potencial técnico intrigante para la filtración de espín y los cálculos magnéticos no ha sido el foco de mucha investigación.
Nanoláminas de ferrita de cobalto para un nuevo semiconductor magnético 2D
En contraste con muchas sustancias 2D ordinarias, las propiedades de los óxidos de metales de transición complicados, como B. Conductividad a alta temperatura y notable ferromagnetismo, regidos por una amplia gama de estados electrónicos asociados.
Sin embargo, la estructura antiferromagnética con un valor de magnetismo casi nulo, aunque es más alta que la temperatura ambiente, limita severamente sus aplicaciones prácticas.
Por otro lado, el grupo de la espinela (magnetita), otra clase importante de óxidos complejos, a menudo muestra temperaturas de ordenamiento ferromagnético muy altas, magnetismo neto significativo y propiedades químicas estables. Las nanoláminas de ferrita de cobalto se diferencian de las ferritas de espinela debido a su gran dispersión magnética y al mantenimiento del estado de equilibrio.
Sin embargo, la fabricación de las deseadas nanoláminas de ferrita no der Waals intrincadas ultrafinas aún se encuentra en sus primeras etapas, ya que están unidas químicamente y evitan la abrasión capa por capa y el desarrollo anisotrópico 2D. Por lo tanto, nuevos avances en este sector requieren un método simple y escalable para fabricar un semiconductor magnético económico a temperatura ambiente.
Aspectos destacados del estudio actual
En este trabajo, los investigadores demuestran que la unión de van der Waals se puede utilizar para generar nanoláminas de cobalto-ferrita de alto rendimiento, tan finas como una sola celda unitaria, para su uso en un nuevo semiconductor magnético 2D.
El uso de plataformas de van der Waals y las circunstancias limitadas permiten fuertes enlaces entre las capas de la tapa y las plataformas para regular la formación de cristales durante todo el proceso de CVD. Este enfoque también se puede utilizar para crear otras nanoláminas de ferrita de tipo espinela.
Los experimentos eléctricos mostraron que las nanoláminas de ferrita de cobalto exhiben un carácter semiconductor típico y una fuerte actividad conmutable, lo que las hace adecuadas para su aplicación en la fabricación de un semiconductor magnético a temperatura ambiente.
Se utilizaron magnetometría de sonda vibratoria (VSM), efecto Kerr magneto-óptico (MOKE) y microscopía de fuerza magnética (MFM) para ilustrar la actividad magnética dura y la evolución de la región magnética in situ en nanoláminas de ferrita de cobalto.
Resultados importantes de la investigación.
Los investigadores fabricaron nanoláminas de ferrita de cobalto únicas con una profundidad de celda unitaria utilizando una técnica de deposición confinada estable de van der Waals y lograron una combinación única de propiedades de ferromagnetismo a temperatura ambiente para un semiconductor magnético.
Los análisis de VSM, MFM y MOKE sugieren que las nanoláminas de ferrita de cobalto resultantes exhiben una temperatura de Curie superior a 390 K y un impacto significativo en la dimensionalidad, lo que las hace excelentes para su uso en un semiconductor magnético a temperatura ambiente.
Esta presentación de las propiedades magnéticas inherentes a temperatura ambiente en nanoláminas de ferrita ultrafinas abre la puerta al desarrollo de nuevos fenómenos cuánticos y configuraciones de dispositivos. También proporciona un nuevo impulso para rastrear otros cristalitos magnéticos que están ausentes en los materiales 2D existentes.
perspectiva del futuro
Como cualquier nueva estructura en capas, la transferencia de laboratorio a fábrica del nuevo semiconductor magnético descrito en este trabajo requiere la producción a escala de obleas y la fabricación de dispositivos reproducibles. Este trabajo muestra el desempeño de la técnica de deposición de van der Waals en nanoláminas de ferrita ultrafinas y demuestra que modificando las condiciones de crecimiento es posible mejorar la cobertura de las nanoláminas de ferrita sobre el semiconductor magnético.
En base a estos resultados, se espera que el desarrollo de un semiconductor magnético 2D único a temperatura ambiente mejore drásticamente las opciones actuales de materiales 2D y amplíe en gran medida su potencial de aplicación.
Relación
Cheng, R. et al. (2022). Nanohojas de ferrita ultrafinas para semiconductores magnéticos bidimensionales a temperatura ambiente. comunicación de la naturaleza. Disponible en: https://www.nature.com/articles/s41467-022-33017-1
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