Die optischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften einiger Materialien ändern sich in Abhängigkeit von der Richtung oder Orientierung des Materials. Je nachdem, wie beispielsweise Holz geschnitten wird, kann die Ausrichtung der Holzmaserung zu einem stärkeren oder schwächeren Material mit unterschiedlichem Aussehen führen. Das gleiche Prinzip gilt für ultradünne, zweidimensionale (2D) Materialien mit einzigartigen Eigenschaften wie Magnetismus.
Je nach Richtung einer mechanischen Beanspruchung eines dieser Materialien ändern sich die magnetischen Eigenschaften des Materials. Dies kann die Konstruktion einzigartiger magnetischer Dehnungssensoren erleichtern, die Kraft in eine messbare elektrische Änderung umwandeln können. Und während die Anisotropie der magnetischen, mechanischen, optischen und anderen Eigenschaften dieser Materialien theoretisch vorhergesagt werden kann, müssen die Vorhersagen basierend auf empirischen Messungen bestätigt oder verworfen werden, um die wahre Eignung eines Materials für eine bestimmte Anwendung zu bestimmen.
Eine kürzlich von Wissenschaftlern der Beihang-Universität geleitete Studie wurde speziell entwickelt, um die physikalischen Eigenschaften von ultradünnem Vanadiumoxychlorid (VOCl) aufgrund seiner potenziellen Eignung für verschiedene Nanotechnologien basierend auf theoretischen Berechnungen experimentell zu bewerten. Das Forschungsteam charakterisierte systematisch die Richtung der optischen Eigenschaften des 2D-Materials als Reaktion auf die Anordnung seiner Atome unter Verwendung von polarisiertem Licht. Die Ergebnisse werden in der Ausgabe vom 5. Januar 2023 veröffentlicht Nanoforschung.
Die Forscher synthetisierten VOCl in großen Mengen und trennten das Material mechanisch in wenige Schichten und wenige Nanometer dicke Proben, um die optischen Eigenschaften von 2D-VOCl aus verschiedenen Richtungen zu beurteilen. Nachdem das Team die atomare Mikrostruktur und Zusammensetzung des synthetisierten VOCl ermittelt hatte, wurden Experimente durchgeführt, indem polarisiertes Licht auf 2D-VOCl-Proben gerichtet wurde, die in verschiedenen Winkeln gedreht wurden. Die Forscher ermittelten, wie sich die optische Helligkeit, Absorption, Reflexion, Kristallorientierung und Symmetrie des ultradünnen Materials in der Ebene aufgrund seiner atomaren Struktur und des auf die Probe gerichteten Lichtwinkels ändert.
Zusammen mit dem vorhergesagten Magnetismus von ultradünnem VOCl werden die während der Studie bewerteten optischen anisotropen Eigenschaften dazu beitragen, die Eignung von 2D-VOCl für die Verwendung in zukünftigen Nanotechnologien zu bestimmen.
„Diese Ergebnisse bilden eine solide Grundlage für 2D-VOCl in Anwendungen der Spintronik und Optospintronik“, sagte Chengbao Jiang, Professor an der School of Materials Science and Engineering der Beihang University und leitender PI des Forschungsteams.
Spintronik ist eine aufstrebende Technologie, die den Spin von Elektronen nutzt, um Informationen zu codieren, die Datenverarbeitung zu beschleunigen, die Schaltungsdichte zu erhöhen und den Energieverbrauch zu senken. Ein neuerer Zweig der Spintronik, Optospintronik genannt, verwendet Optik oder Licht, um den Elektronenspin entweder zu messen oder zu steuern.
„Diese optisch anisotropen Eigenschaften können genutzt werden, um neuartige funktionelle Geräte zu entwerfen, darunter Fotodetektoren, Lichtgeneratoren mit linearer Polarisation, Dehnungssensoren und künstliche Synapsengeräte“, sagte Co-Hauptautor Shengxue Yang von der Beihang-Universität.
VOCl, das eine Kristallstruktur aus Vanadium-, Sauerstoff- und Chloratomen bildet, ist nur eines von vielen Materialien, die mechanisch in ultradünne Schichten getrennt werden können und richtungs- und orientierungsabhängige physikalische Eigenschaften aufweisen. Graphen, eine einzelne Kohlenstoffschicht in einer Wabenstruktur, und schwarzer Phosphor, ein Material, das Graphen strukturell ähnlich ist, aber stattdessen aus Phosphoratomen besteht, wurden beide für ihre Stärke und Fähigkeit, Wärme und Strom zu leiten, mit schwarzem Phosphor charakterisiert potenziell als Ersatz für giftigeres Graphen in biomedizinischen Anwendungen dienen.
Während die physikalischen Eigenschaften von 2D-Materialien oft durch prädiktive Berechnungen theoretisiert werden, müssen ultradünne Materialien empirisch charakterisiert werden, um ihre mechanischen, optischen, magnetischen und anderen Eigenschaften zu bestätigen. Experimentelle Ergebnisse stimmen oft mit theoretischen Berechnungen überein und können verwendet werden, um sowohl die Qualität als auch die Zusammensetzung des synthetisierten Materials zu bestätigen. Mit der empirischen Bestätigung der physikalischen Eigenschaften des ultradünnen Materials können einzigartige Merkmale für die aufkommenden Nanotechnologieanwendungen der Zukunft genutzt werden, darunter Quantencomputer, Kraftmessung und Energiespeicherung.
Mehr Informationen:
Tianle Zhang et al, Starke optische Anisotropie in der Ebene in 2D-Van-der-Waals-Antiferromagneten VOCl, Nanoforschung (2023). DOI: 10.1007/s12274-022-5358-0
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press