기존의 실험실 오븐에서 굽는 것은 혼합물을 산화아연의 단일 원자 층으로 변형시켰고, 그래핀 층 사이에 끼어 있는 코발트 원자를 흩뿌렸습니다. 마지막 단계에서 그래핀은 연소되어 코발트가 도핑된 산화아연의 단일 원자층만 남게 됩니다.
Berkeley Lab 재료 과학 부서의 교수 과학자이자 UC Berkeley의 재료 과학 및 공학 부교수인 Jie Yao는 "우리는 주변 조건에서 화학적으로 안정적인 실온 2D 자석을 만든 최초의 사람입니다."라고 말했습니다.
Yao Research Group의 UC Berkeley 대학원생인 Rui Chen은 "이 발견은 실온에서 2D 자성을 가능하게 할 뿐만 아니라 2D 자성 재료를 실현하는 새로운 메커니즘을 발견했기 때문에 흥미진진합니다."라고 말했습니다.
새로운 재료는 깨지지 않고 거의 모든 모양으로 구부러질 수 있으며 종이 한 장보다 백만 배 더 얇아 데이터를 인코딩하기 위해 전하가 아닌 전자의 스핀 방향을 사용하는 스핀 전자 장치 또는 스핀트로닉스의 응용 프로그램을 발전시키는 데 도움이 될 수 있습니다. "우리의 2D 자석은 전자의 스핀을 조작하는 초소형 스핀트로닉 장치의 형성을 가능하게 할 수 있습니다."라고 Chen이 말했습니다.
많은 자성 박막이 있지만 이들은 여전히 수백 또는 수천 개의 원자 두께인 3D 물질입니다.
“최신 2D 자석이 작동하려면 매우 낮은 온도가 필요합니다. 그러나 실제적인 이유로 데이터 센터는 실온에서 실행되어야 합니다.”라고 Yao가 말했습니다. "우리의 2D 자석은 실온 이상에서 작동하는 최초의 자석일 뿐만 아니라 진정한 2D 한계에 도달한 최초의 자석이기도 합니다. 단일 원자만큼 얇습니다."
그래핀-아연-산화물 시스템은 6% 농도의 코발트 원자로 약하게 자성을 띠게 됩니다. 코발트 원자의 농도를 약 12%로 높이면 매우 강한 자석이 됩니다.
15%의 코발트 원자 농도를 초과하면 2D 시스템 내의 서로 다른 자기 상태가 서로 경쟁하는 이국적인 양자 상태로 2D 자석이 이동합니다.
그리고 실온 이상에서 자성을 잃는 기존의 2D 자석과 달리 연구진은 새로운 2D 자석이 실온뿐만 아니라 섭씨 100도(화씨 212도)에서도 작동한다는 것을 발견했습니다.
Chen은 "우리의 2D 자기 시스템은 이전의 2D 자석과 비교하여 뚜렷한 메커니즘을 보여줍니다."라고 말했습니다. "그리고 우리는 이 독특한 메커니즘이 산화아연의 자유 전자 때문이라고 생각합니다."
Yao는 "우리 재료를 사용하면 업계가 솔루션 기반 방법을 채택하는 데 큰 장애물이 없습니다."라고 말했습니다. "저비용으로 대량 생산을 위해 잠재적으로 확장 가능합니다."
생성된 2D 필름이 단 하나의 원자 두께임을 확인하기 위해 Yao와 그의 팀은 재료의 형태를 식별하기 위해 버클리 연구소의 분자 주조소에서 주사 전자 현미경 실험을 수행하고 원자 단위로 재료를 조사하기 위해 투과 전자 현미경(TEM) 이미징을 수행했습니다.
SLAC 국립 가속기 연구소의 스탠포드 싱크로트론 방사선 광원에서 추가 X선 실험을 통해 합성된 2D 자석의 전자 및 결정 구조를 확인했습니다. 그리고 Argonne 국립 연구소의 나노 규모 재료 센터에서 연구원들은 TEM을 사용하여 2D 재료의 결정 구조와 화학 조성을 이미지화했습니다.
“실온에서 이 새롭고 강력하며 진정한 XNUMX차원 자석의 발견은 진정한 돌파구라고 생각합니다.” 연구를 공동으로 이끈 사람.
“우리의 결과는 우리가 기대했던 것보다 훨씬 더 좋습니다. 정말 흥미진진합니다. 대부분의 경우 과학에서 실험은 매우 어려울 수 있습니다.”라고 Yao가 말했습니다. "하지만 마침내 새로운 것을 깨달았을 때, 그것은 항상 매우 만족스럽습니다."