توسعه روش‌های نوین تقویت مغناطیس در مواد دو بعدی

تحولات جدید در مواد 2D و خواص مغناطیسی آن‌ها

مواد 2D با ضخامت تنها چند اتم، امکانات انقلابی برای فناوری‌های جدید ارائه می‌دهند که اندازه‌ای میکروسکوپی دارند، اما قابلیت‌های مشابهی با ماشین‌های موجود دارند. محققان دانشگاه ایالت فلوریدا روشی جدید برای تولید نوعی از مواد 2D و تقویت خواص مغناطیسی آن‌ها کشف کرده‌اند. این تحقیق در نشریه Angewandte Chemie منتشر شده است.

تیم تحقیقاتی بر روی یک آهنربای فلزی که از عناصر آهن، ژرمانیوم و تلوریوم ساخته شده و به نام FGT شناخته می‌شود، دو پیشرفت عمده به دست آورد: یک روش جمع‌آوری که ۱۰۰۰ برابر بیشتر از روش‌های معمولی ماده تولید می‌کند و توانایی تغییر خواص مغناطیسی FGT از طریق یک درمان شیمیایی.

مایکل شاتروک، استاد دپارتمان شیمی و بیوشیمی که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: “مواد 2D به خاطر شیمی، فیزیک و کاربردهای بالقوه‌شان واقعاً جذاب هستند. ما در حال حرکت به سمت توسعه دستگاه‌های الکترونیکی کارآمدتر هستیم که انرژی کمتری مصرف کنند و سبک‌تر، سریع‌تر و پاسخگوتر باشند. مواد 2D بخش بزرگی از این معادله هستند، اما هنوز کارهای زیادی باید انجام شود تا آن‌ها قابلیت استفاده پیدا کنند. تحقیقات ما بخشی از این تلاش است.”

تحقیق با استفاده از روش لایه‌برداری فازی مایع آغاز شد که یک تکنیک پردازش محلول است و نانوصفحات دو بعدی را از کریستال‌های لایه‌ای در مقادیر زیاد تولید می‌کند. تیم تحقیقاتی مشاهده کرد که سایر شیمیدان‌ها از این روش برای سنتز نیمه‌هادی‌های 2D استفاده می‌کنند و تصمیم گرفتند آن را به مواد مغناطیسی اعمال کنند. لایه‌برداری فازی مایع به شیمیدان‌ها این امکان را می‌دهد که مواد بیشتری را نسبت به روش‌های رایج لایه‌برداری مکانیکی که در آن از نوار چسب استفاده می‌شود، جمع‌آوری کنند. در مورد شاتروک، این روش به محققان اجازه داد تا ۱۰۰۰ برابر بیشتر از روش‌های لایه‌برداری مکانیکی مواد جمع‌آوری کنند.

شاتروک گفت: “این اولین قدم بود و ما متوجه شدیم که این روش بسیار کارآمد است. وقتی لایه‌برداری را انجام دادیم، فکر کردیم: ‘خب، به نظر می‌رسد لایه‌برداری کار آسانی است. اگر شیمی را به این نانوصفحات لایه‌برداری شده اعمال کنیم، چه می‌شود؟'” موفقیت آن‌ها در لایه‌برداری به تولید مقدار کافی از FGT برای بررسی بیشتر در شیمی این ماده منجر شد. تیم نانوصفحات را با یک ترکیب آلی به نام TCNQ یا ۷،۷،۸،۸-تتراسیانوکینودیمتان مخلوط کرد.

تحول جدید در مواد مغناطیسی: FGT-TCNQ

این فرآیند ماده‌ای جدید به نام FGT-TCNQ را ایجاد کرد که نتیجه انتقال الکترون‌ها از نانوبرگ‌های FGT به مولکول‌های TCNQ است. این ماده جدید یک پیشرفت دیگر بود — یک مغناطیس دائمی با سختی مغناطیسی بالاتر، که معیاری برای توانایی یک مغناطیس در برابر میدان مغناطیسی خارجی محسوب می‌شود.

بهترین مغناطیس‌های دائمی که در فناوری‌های پیشرفته استفاده می‌شوند، می‌توانند میدان‌های مغناطیسی چند تسلا را تحمل کنند، اما دستیابی به چنین مقاومتی با مغناطیس‌های دو بعدی مانند FGT بسیار چالش‌برانگیز است. در واقع، در مواد حجیم، موم مغناطیسی می‌تواند با یک میدان تقریباً ناچیز تغییر کند — به عبارت دیگر، این ماده تقریباً دارای سختی مغناطیسی صفر است.

برش بلورهای FGT به نانوبرگ‌ها، ماده‌ای با سختی مغناطیسی حدود 0.1 تسلا تولید کرد که برای بسیاری از کاربردها کافی نیست. اما زمانی که محققان دانشگاه FSU TCNQ را به نانوبرگ‌های FGT افزودند، سختی مغناطیسی را به 0.5 تسلا افزایش دادند که پنج برابر افزایش یافته و بسیار امیدوارکننده برای کاربردهای بالقوه مغناطیس‌های دو بعدی است؛ به عنوان مثال، برای فیلتر کردن اسپین، محافظت الکترومغناطیسی یا ذخیره‌سازی داده‌ها.

بر خلاف الکترومغناطیس‌ها که برای حفظ میدان مغناطیسی به برق نیاز دارند، مغناطیس‌های دائمی به طور خودکار دارای میدان مغناطیسی پایدار هستند. این مغناطیس‌ها اجزای حیاتی در انواع فناوری‌ها هستند، از جمله دستگاه‌های MRI، هارد دیسک‌ها، تلفن‌های همراه، توربین‌های بادی، بلندگوها و دیگر دستگاه‌ها.

برنامه‌های آینده محققان

محققان قصد دارند امکان درمان مواد را از طریق روش‌های دیگر، مانند انتقال گاز یا برش لایه مولکولی TCNQ یا مولکول‌های فعال مشابه و افزودن آن به ماده مغناطیسی بررسی کنند. آن‌ها همچنین بررسی خواهند کرد که چگونه چنین درمانی ممکن است بر روی سایر مواد دو بعدی، مانند نیمه‌هادی‌ها تأثیر بگذارد.

این یک یافته هیجان‌انگیز است، زیرا مسیرهای زیادی را برای کاوش بیشتر باز می‌کند،

گفت گوویند سارنگ، دانشجوی دکترا و یکی از نویسندگان این تحقیق. “مغناطیس‌های مختلفی وجود دارند که می‌توانند به تثبیت مغناطیس‌های دو بعدی کمک کنند و طراحی موادی با لایه‌های متعدد که خواص مغناطیسی آن‌ها برای افزایش کارایی‌شان دستکاری می‌شود، ممکن است.”

نویسندگان همکار این تحقیق در دانشگاه FSU شامل خودآموز جیما گارسیا-الیور و پژوهشگر دانشگاهی یان شین بودند. همکاران از دانشگاه والنسیا، اسپانیا، شامل آلبرتو م. رویز و پروفسور خوزه جی. بالدوی بودند. این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم حمایت شد.