Bakken in een conventionele laboratoriumoven transformeerde het mengsel in een enkele atomaire laag zinkoxide met een paar kobaltatomen ingeklemd tussen lagen grafeen. In een laatste stap wordt het grafeen weggebrand, waarbij slechts een enkele atomaire laag van met kobalt gedoteerd zinkoxide achterblijft.
"We zijn de eersten die een 2D-magneet bij kamertemperatuur maken die chemisch stabiel is onder omgevingsomstandigheden", zegt Jie Yao, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en universitair hoofddocent materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley.
"Deze ontdekking is opwindend omdat het niet alleen 2D-magnetisme mogelijk maakt bij kamertemperatuur, maar het ook een nieuw mechanisme onthult om 2D-magnetische materialen te realiseren", zegt Rui Chen, een afgestudeerde student van UC Berkeley in de Yao Research Group.
Het nieuwe materiaal kan in bijna elke vorm worden gebogen zonder te breken, en is een miljoen keer dunner dan een vel papier, wat zou kunnen bijdragen aan de toepassing van spin-elektronica of spintronica die de oriëntatie van de spin van een elektron in plaats van zijn lading gebruikt om gegevens te coderen. "Onze 2D-magneet kan de vorming van ultracompacte spintronische apparaten mogelijk maken om de spins van de elektronen te ontwerpen", zei Chen.
Er zijn veel magnetische dunne films, maar dit zijn nog steeds 3D-materialen die honderden of duizenden atomen dik zijn.
“State-of-the-art 2D-magneten hebben zeer lage temperaturen nodig om te functioneren. Maar om praktische redenen moet een datacenter op kamertemperatuur draaien”, zegt Yao. "Onze 2D-magneet is niet alleen de eerste die werkt bij kamertemperatuur of hoger, maar het is ook de eerste magneet die de echte 2D-limiet bereikt: hij is zo dun als een enkel atoom."
Het grafeen-zink-oxide-systeem wordt zwak magnetisch met een concentratie van 6 procent kobaltatomen. Het verhogen van de concentratie van kobaltatomen tot ongeveer 12 procent resulteert in een zeer sterke magneet.
Het overschrijden van een concentratie van 15 procent kobaltatomen verschuift de 2D-magneet naar een exotische kwantumtoestand waar verschillende magnetische toestanden binnen het 2D-systeem met elkaar concurreren.
En in tegenstelling tot eerdere 2D-magneten, die hun magnetisme verliezen bij kamertemperatuur of hoger, ontdekten de onderzoekers dat de nieuwe 2D-magneet niet alleen bij kamertemperatuur werkt, maar ook bij 100 graden Celsius (212 graden Fahrenheit).
"Ons 2D-magneetsysteem vertoont een duidelijk mechanisme in vergelijking met eerdere 2D-magneten", zegt Chen. "En we denken dat dit unieke mechanisme te wijten is aan de vrije elektronen in zinkoxide."
"Met ons materiaal zijn er geen grote obstakels voor de industrie om onze oplossingsgerichte methode toe te passen", zegt Yao. "Het is potentieel schaalbaar voor massaproductie tegen lagere kosten."
Om te bevestigen dat de resulterende 2D-film slechts één atoom dik is, voerden Yao en zijn team scanning-elektronenmicroscopie-experimenten uit in de Molecular Foundry van Berkeley Lab om de morfologie van het materiaal te identificeren, en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beeldvorming om het materiaal atoom voor atoom te onderzoeken.
Aanvullende röntgenexperimenten bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource van het SLAC National Accelerator Laboratory verifieerden de elektronische en kristalstructuren van de gesynthetiseerde 2D-magneten. En bij het Center for Nanoscale Materials van het Argonne National Laboratory gebruikten de onderzoekers TEM om de kristalstructuur en chemische samenstelling van het 2D-materiaal in beeld te brengen.
"Ik geloof dat de ontdekking van deze nieuwe, robuuste, echt tweedimensionale magneet bij kamertemperatuur een echte doorbraak is", zegt co-auteur Robert Birgeneau, een faculteit senior wetenschapper in Berkeley Lab's Materials Sciences Division en hoogleraar natuurkunde aan UC Berkeley die de studie mede leidde.
“Onze resultaten zijn zelfs beter dan we hadden verwacht, wat echt spannend is. In de wetenschap kunnen experimenten meestal erg uitdagend zijn, "zei Yao. "Maar als je eindelijk iets nieuws realiseert, geeft dat altijd veel voldoening."