Tìm ra được từ tính bên trong vật liệu 2D

Vật liệu có từ tính (nam châm) tạo nên nền tảng các công nghệ như các thiết bị lưu trữ dữ liệu ổ cứng và cảm biến đóng vai trò ngày càng quan trọng trong cuộc sống của chúng ta ngày nay.

Nhưng khi chúng ta mong muốn có được các thiết bị nhỏ hơn và nhanh hơn thì đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải tìm ra được các loại vật liệu có từ tính mới, nhỏ gọn hơn, hiệu quả hơn và có thể kiểm soát được bằng các phương pháp ứng dụng chính xác và đáng tin cậy.

Mới đây, nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Washington và Viện Công nghệ Massachusetts đã lần đầu tiên phát hiện ra từ tính trong thế giới 2D của các vật liệu được tạo ra từ các lớp nguyên tử đơn và monolayer (đơn lớp). Công trình này đã được công bố trên tạp chí Nature cho thấy các đặc tính từ tính có thể tồn tại thậm chí ở cả trong lĩnh vực 2D - mở ra một thế giới các ứng dụng tiềm năng mới.

“Điều mà chúng tôi tìm thấy ở đây là vật liệu 2D cách nhiệt có từ tính ở bên trong, và từ tính trong cấu trúc này hoạt động rất mạnh. Chúng tôi cho rằng những công nghệ thông tin mới có thể phát triển dựa trên những nam châm 2-D mới này”, Xiaodong Xu, giáo sư vật lý học và vật liệu khoa học và kỹ thuật của UW, và là thành viên của Viện Năng lượng sạch UW nói.

Xu và giáo sư vật lý Pablo Jarillo-Herrero tại MIT đứng đầu nhóm các nhà khoa học quốc tế đã chứng minh được rằng vật liệu này - chromium triiodide (CrI3) - có các đặc tính từ tính bên trong cấu tạo đơn lớp của chính nó.

Các nhóm nghiên cứu khác, bao gồm Michael McGuire, làm việc tại phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, và là đồng tác giả nghiên cứu, trước đây đã chỉ ra rằng CrI3 - bên trong cấu trúc tinh thể lớn, 3D, đa lớp - là sắt từ. Bên trong các vật liệu sắt từ, các “spin” của các phân tử electron, tương tự như các cục nam châm hạ nguyên tử, nhỏ xíu, có trật tự từ được sắp xếp theo một hướng giống nhau, thậm chí còn không có từ trường bên ngoài. Trong thực tế, các vật liệu đơn lớp này có thể bộc lộ cho thấy các đặc tính tính chất độc đáo mà không cần phải quan sát bên trong trong cấu trúc 3-D đa lớp của chúng.

Theo Bevin Huang, nghiên cứu sinh tại UW, và là đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Không thể dự đoán trước một cách chính xác các đặc tính hóa học hay vật lý, từ tính và điện năng của các tinh thể 2D đơn lớp dựa vào hành vi của bản sao 3D cỡ lớn của nó”.

Các nguyên tử bên trong các vật liệu đơn lớp được xem là “có chức năng” hai chiều (2D) bởi vì các electron chỉ có thể di chuyển bên trong tấm nguyên tử này, giống như các quân cờ chỉ di chuyển được trong bàn cờ.

Để khám phá các đặc tính của CrI3 ở dạng 2D, nhóm đã sử dụng băng keo trong suốt Scotch để bào lấy một lớp đơn của CrI3 bên trong tinh thể cấu trúc 3D xếp chồng.

“Hiệu quả của việc sử dụng băng keo trong suốt Scotch để bóc tách một lớp đơn ra khỏi tinh thể 3D có cấu trúc xếp chồng thật đáng ngạc nhiên. Kỹ thuật giá rẻ và đơn giản này lần đầu tiên được đã sử dụng tách graphene ra khỏi graphite có cấu trúc 2D, và sau đó cũng đã được sử dụng thành công với các vật liệu khác”. Genevieve Clark nói.

Bên trong các vật liệu sắt từ, các spin các electron có trật tự thẳng hàng này sẽ tạo ra các dấu hiệu báo hiệu khi một chùm ánh sáng phân cực phản chiếu bề mặt của vật liệu này. Các nhà nghiên cứu sẽ phát hiện ra dấu hiệu này trong CrI3 nhờ vào việc sử dụng một loại kính hiển vi đặc biệt.

Đáng ngạc nhiên là trong các lớp CrI3 có độ dày 2 lớp, dấu hiệu quang học không xuất hiện. Điều này cho thấy rằng có một số spin electron đã bị sắp xếp theo chiều hướng đối nghịch với spin electron khác, và thuật ngữ này được gọi là trật tự chống sắt từ.

Tính sắt từ quay ngược trở lại bên trong CrI3 tam lớp. Điều này khiến các nhà khoa học sẽ cần phải tiến hành các nghiên cứu sâu hơn để có thể hiểu tại sao CrI3 lại bộc lộ các pha từ tính lệ thuộc từng lớp rất đặc biệt này. Với Xiaodong Xu, đây chỉ là một vài đặc tính độc đáo được khám hiện thấy khi các lớp đơn được ghép lại.

Phần lớn nghiên cứu của Giáo sư Xu xoay quanh vào việc tạo ra heterostructure (có cấu trúc khác thường), cấu trúc này chứa nhiều hơn 2 loại vật liệu siêu mỏng khác nhau. Tại bề mặt phân giới giữa hai vật liệu, nhóm nghiên cứu của ông sẽ cố gắng tìm ra các hiện tưởng vật lý hoặc các chức năng mới để phát triển các ứng dụng tiềm năng trong công nghệ máy tính và công nghệ thông tin.

Trong nghiên cứu trước được đăng tải tháng trước trên tạp chí Science Advances, nhóm nghiên cứu của Xu do giáo sư vật lý và kỹ thuật điện Kai-Mei Fu đứng đầu đã cho thấy cấu trúc siêu mỏng của CrI3 khi xếp chồng lên nhau một lớp vonfram diselenide đơn lớp sẽ tạo ra một bề mặt có cấu trúc hetero siêu đẹp với các đặc tính từ tính và photonic độc đáo và rất bất ngờ.

“Như vậy, cấu trúc Heterostructures nắm giữa các tiềm năng đầy hứa hẹn trong việc tạo ra các ứng dụng cho máy tính, lưu trữ dữ liệu, thông tin liên lạc và các ứng dụng khác mà chúng ta chưa biết đến”, Xu cho biết.

P.T.T-NASATI (Theo Phys)