Der unüberwindliche EISEN-TALK: 2D magnetische Schichten

Isolierte Einzelschichten aus geschichteten Kristallen werden als zweidimensionale (2D) Materialien bezeichnet. In einer Richtung werden die Schichten innerhalb dieser Materialien nur durch schwache - sogenannte van der Waals (vdW) - Kräfte zusammengehalten. Dies ermöglicht es uns, nur eine einzelne Schicht zu isolieren, ohne ihre Struktur zu zerstören. Man könnte sich geschichtete Kristalle als gestapelte papierblätter vorstellen. In dieser Analogie zu den vdW-Kräften hält die Schwerkraft die einzelnen Blätter in einem Stapel zusammen, aber wir brauchen nicht viel Kraft, um sie zu überwinden und ein Blatt zu nehmen. Im Jahr 2004 wurde Graphen als erstes 2D-Material isoliert, eine einzelne Graphitschicht. In den folgenden Jahren wurden viele verschiedene 2D-Materialien beschrieben, die neue und unerwartete Eigenschaften mit sich brachten und viele potenzielle Anwendungen für zukünftige Elektronik und Sensoren eröffnen. Wenn wir die Papierblätter als Analogie zu 2D-Materialschichten betrachten, was würde passieren, wenn das Papiermaterial magnetisch wäre? Gibt es überhaupt atomar dünne Magnetfolien? Wenn ja, würde die hinzugefügte magnetische Wechselwirkung die Blätter stark zusammenhalten oder würde sie sie vielleicht auseinander reißen? Ab den 1960er Jahren besagt eine Theorem - genannt Merming-Wagner-Theorem -, dass 2D-Magnete oberhalb der absoluten Nulltemperatur (-273,15 Grad Celsius) nicht existieren können. Dies würde bedeuten, dass in unserer Papieranalogie ein Blatt magnetisches Papier innere Kräfte hat, die entweder den Magnetismus aufheben oder die einzelnen Blätter auseinander reißen möchten. Mit anderen Worten, 2D-Magnete sollten nicht existieren. Diese auf den Gebieten der Physik und Materialwissenschaften bekannte Tatsache hat die Forscher nicht dazu motiviert, nach 2D-Magneten zu suchen. Fast zwei Jahrzehnte nach der Entdeckung des ersten 2D- Materials (Graphen) und nachdem unzählige nichtmagnetische 2D-Materialien gefunden wurden, erschienen die ersten Berichte über 2D-Magnetismus. Diese sehr seltenen Kristalle sind jedoch auch sehr instabil. Da sie aus reaktiven Elementen wie Chlor oder Tellur bestehen, können sie keiner Umgebungsluft ausgesetzt werden. Unser Projekt zielt darauf ab, luftstabile 2D-Magnete zu finden. Während viele Menschen mit Talk vertraut sind, vielleicht als Babypuder oder Zusatzstoff in Kosmetika, oder mit dem Puder, das Man zum Klettern auf die Hände gibt, wissen die meisten Menschen nicht, dass Talk ein 2D-Material ist. Ein weiteres Problem, das bei Talk häufig auftritt, besteht darin, dass Eisenatome relativ leicht in seine Schichten integriert werden können. Dies kommt in der Natur häufig vor. Unser Projekt wird zeigen, dass einzigartige Struktur von Talk dem darin eingeschlossenem Eisen einen atomar dünnen Schutz vor Umwelt bietet. Wir wollen beweisen, dass dieses in Talk eingeschlossene Eisen magnetisch ist und dass dieses Eisen-Talk System wirklich ein luftstabiler 2D-Magnet ist.

Das START-Projekt "Der unueberwindliche EISEN-TALK: 2D-Magnetische Schichten" wurde von Priv.-Doz. Aleksandar Matkovic geleitet und an der Montanuniversität Leoben durchgeführt. Ziel des Projekts war die Untersuchung eines Bereichs zweidimensionaler (2D) magnetischer Phyllosilikate. Dabei handelt es sich um natürlich vorkommende Schichtmineralien, die in vielen Industriezweigen wie der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie weit verbreitet sind. Die Verwendung in der Elektronik und in der Nanotechnologie ist jedoch marginal. Die Diskrepanz ergibt sich hauptsächlich aus den für die verschiedenen Anwendungen erforderlichen Eigenschaften, vor allem aus ihrer Kristallinität. Derzeit werden diese Schichttone als hochreine Pulver verwendet, üblicherweise mit kristallinen Körnern im Submikrometerbereich. Um ihr Potenzial in der Nanotechnologie auszuschöpfen, benötigen wir Einkristalle und gut definierte Dünnschichten. Dieses Projekt hat die wissenschaftliche Gemeinschaft auf die neue Klasse der 2D-Isolatoren aufmerksam gemacht. Wir haben gezeigt, dass diese Materialien magnetisch sind, wenn sie als nur wenige Nanometer dünne kristalline Schichten hergestellt werden. Diese Materialien sind in der Luft völlig stabil, selbst wenn sie in Form einer Monoschicht (etwa einen Nanometer dünn) vorliegen. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber anderen 2D-Magneten, die in der Luft sofort zerfallen. Im Laufe seiner vierjährigen Laufzeit waren insgesamt zehn Teammitglieder an dem Projekt beteiligt und es wurden über zwanzig Forschungsartikel veröffentlicht. Wir haben zum ersten Mal beobachtet, dass Phyllosilikate in Monoschichten magnetisch reagieren und in 2D-Form in der Umgebung völlig stabil sind. Wir haben außerdem magnetische Domänen in dieser Materialklasse abgebildet und damit die erste direkte Beobachtung von geschichtetem Antiferromagnetismus und Domänenbildung durchgeführt. Wir haben auch eine Verbindung zwischen ihrer Kristallstruktur und ihrer magnetischen Reaktion hergestellt und damit einen Weg zur Feinabstimmung magnetischer Eigenschaften eröffnet. Für die nächste Generation magnetischer Speicher werden atomar dünne magnetische Isolatoren benötigt. Diese würden es ermöglichen, magnetische Speicherbits direkt in die Logikeinheiten unserer Computer zu integrieren. Eine solche Integration würde ultraschnelle Speicherverarbeitungseinheiten ermöglichen, was eine neuartige Prozessorarchitektur darstellt, in der Speicherelemente und Logik zu einem verschmelzen. Unser Projekt hat einen Weg zur Realisierung dieser fortschrittlichen Computertechnologien auf der Grundlage reichlich vorhandener, biologisch verträglicher und biologisch abbaubarer Materialien geebnet, wodurch der Bedarf an seltenen Erden und der Fußabdruck von Elektroschrott verringert und potenzielle Biosensoranwendungen eröffnet werden.