Una imagen de microscopio muestra escamas de óxido de hierro épsilon (III) cultivados en mica por ingenieros de Rice. Los cristales casi en 2D son componentes prometedores para la electrónica y la espintrónica que aprovechan sus propiedades magnéticas estables. Crédito:el Grupo Lou
Los investigadores de la Universidad de Rice han simplificado la síntesis de un forma casi bidimensional de óxido de hierro con fuertes propiedades magnéticas que es fácil de apilar sobre otros materiales 2-D.
El material, óxido de hierro épsilon (III), se muestra prometedor como un bloque de construcción para estructuras exóticas a nanoescala que podrían ser útiles para dispositivos espintrónicos, Aplicaciones electrónicas o de almacenamiento que aprovechan no solo la carga de los electrones sino también sus estados de espín.
Investigadores de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice y la Escuela de Ciencias Naturales de Wiess informaron en la revista American Chemical Society Nano letras que habían producido escamas de óxido a través de una simple deposición de vapor químico. Las escamas son fácilmente transferibles de sus sustratos de crecimiento y conservan sus propiedades magnéticas a largo plazo a temperatura ambiente.
"El óxido de hierro no es nada nuevo, ", dijo el científico de materiales de Rice y co-investigador principal, Jun Lou." Pero esta fase épsilon es muy rara. En el crecimiento epitaxial (en el que el cristal se alinea con la estructura atómica de la superficie), la unión es fuerte y los cristales son difíciles de transferir. Pero una de las características de esta estructura cristalina es que tiene una interacción relativamente débil con el sustrato. Puedes tomarlo y ponerlo en diferentes cosas ".
Una ilustración muestra la estructura del óxido de hierro épsilon (III), un material atómicamente delgado que es estable, apilable y, a diferencia de otros óxidos de hierro, conserva sus propiedades magnéticas únicas a temperatura ambiente. Crédito:Jiangtan Yuan
"Un material magnético ultrafino como este, que mantiene sus propiedades magnéticas hasta temperatura ambiente y se puede integrar con otros materiales apilando, es muy emocionante, "dijo el físico de Rice Doug Natelson, co-investigador principal con Lou y Scott Crooker del Laboratorio Nacional de Los Alamos. "Será un gran campo de pruebas para ver cómo actúan las propiedades magnéticas en las interfaces, un aspecto importante relevante para las futuras tecnologías de la información ".
Lou dijo que el material técnicamente no es 2-D, debido a la estructura atómica ortorrómbica en forma de prisma que le da a la red sus propiedades inusuales. "Pero básicamente, tiene todas las características de un imán 2-D, " él dijo.
Dijo que otros materiales magnéticos 2-D descubiertos hasta este punto tienen dos características negativas:su temperatura de Curie está muy por debajo de la temperatura ambiente, lo que significa que los materiales deben enfriarse para preservar sus efectos magnéticos, o los materiales no son estructuralmente estables y se descomponen rápidamente en condiciones ambientales.
"Nuestro material no tiene ninguno de esos problemas, "Dijo Lou." Es estable al aire y la temperatura de Curie está ligeramente por encima de la temperatura ambiente. Si probamos el material que cultivamos hace un año, todavía muestra el mismo comportamiento ".
El óxido de épsilon-hierro (III) incorpora átomos de oxígeno (azul) y átomos de hierro (todo lo demás) en una red cristalina con propiedades magnéticas que, a diferencia de otros óxidos de hierro, permanecen estables a temperatura ambiente. Esto hace que el material casi 2D sea un buen candidato para combinar con otros materiales de un átomo de espesor para nuevas aplicaciones electrónicas y espintrónicas. Crédito:Jiangtan Yuan
Si el material fuera tan grueso como un imán de nevera, también se mantendría. "El efecto magnético es muy fuerte, alrededor de 300 miliTeslas, "Lou dijo." Pero este material no puede existir a granel. Pasará de épsilon a otro tipo de óxido ".
Los investigadores cultivaron copos lisos, tan delgado como 5,1 nanómetros, sobre sustratos de dióxido de silicio y mica. Probaron con éxito su capacidad para unirse a través de la fuerza débil de van der Waals con el grafeno. Las propiedades magnéticas de los copos, medido en Los Alamos, se encontraron estables a temperatura ambiente con un campo magnético entre 200 y 400 miliTeslas.
La investigación es el resultado de una propuesta interdisciplinaria de Rice IDEA de Lou, Natelson y el químico de Rice Gustavo Scuseria para investigar las propiedades magnéticas de los materiales 2-D. Planean combinar el óxido con más materiales 2-D para ver cómo su campo magnético afecta las propiedades de las heteroestructuras. "Este proceso de acoplamiento interfacial será muy interesante para nosotros, "Dijo Lou.
Ex alumno de Rice Jiangtan Yuan, ahora investigador postdoctoral en la Universidad Northwestern, y Andrew Balk del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Los Alamos, Nuevo Mexico, son coautores principales del estudio. Los coautores son el profesor asistente de investigación Hua Guo, los estudiantes graduados Qiyi Fang y Xuanhan Zhao, el estudiante de pregrado Sahil Patel y el especialista en investigación Tanguy Terlier de la Shared Equipment Authority en Rice. Crooker es un miembro del personal técnico del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético. Natelson es profesor de física y astronomía, de ingeniería eléctrica e informática y de ciencia de materiales y nanoingeniería. Lou es profesor de ciencia de materiales y nanoingeniería y de química.
