Les propriétés optiques, électriques et mécaniques de certains matériaux changent en fonction de la direction ou de l’orientation du matériau. Selon la façon dont le bois est coupé, par exemple, l’orientation du grain du bois peut donner un matériau plus résistant ou plus faible avec des apparences différentes. Ce même principe s’applique aux matériaux ultrafins bidimensionnels (2D) dotés de propriétés uniques telles que le magnétisme.
Selon la direction d’une contrainte mécanique exercée sur l’un de ces matériaux, les propriétés magnétiques du matériau changent. Cela peut faciliter la conception de capteurs de contrainte magnétiques uniques qui peuvent convertir la force en un changement électrique mesurable. Et bien que l’anisotropie des propriétés magnétiques, mécaniques, optiques et autres de ces matériaux puisse, en théorie, être prédite, les prédictions doivent être étayées ou rejetées sur la base de mesures empiriques pour déterminer la véritable adéquation d’un matériau à une application particulière.
Une étude récente menée par des scientifiques de l’Université de Beihang a été conçue spécifiquement pour évaluer expérimentalement les propriétés physiques de l’oxychlorure de vanadium ultrafin (VOCl) en raison de son aptitude potentielle à diverses nanotechnologies sur la base de calculs théoriques. L’équipe de recherche a systématiquement caractérisé la directionnalité des propriétés optiques du matériau 2D en réponse à l’arrangement de ses atomes, en utilisant la lumière polarisée. Les résultats sont publiés dans le numéro du 5 janvier 2023 de Nano-recherche.
Les chercheurs ont synthétisé le VOCl en vrac et séparé mécaniquement le matériau en échantillons de quelques couches d’un nanomètre d’épaisseur pour évaluer les caractéristiques optiques du VOCl 2D dans différentes directions. Une fois que l’équipe a établi la microstructure atomique et la composition du VOCl synthétisé, des expériences ont été réalisées en faisant briller de la lumière polarisée sur des échantillons de VOCl 2D tournés à différents angles. Les chercheurs ont déterminé comment la luminosité optique dans le plan, l’absorption, la réflexion, l’orientation cristalline et la symétrie du matériau ultra-mince changent en raison de sa structure atomique et de l’angle de la lumière dirigée vers l’échantillon.
Avec le magnétisme prédit du COVCl ultrafin, les propriétés anisotropes optiques évaluées au cours de l’étude aideront à déterminer la pertinence du COVCl 2D pour une utilisation dans les futures nanotechnologies.
« Ces résultats jettent une base solide pour le VOCl 2D dans les applications de la spintronique et de l’optospintronique », a déclaré Chengbao Jiang, professeur à l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université de Beihang et chercheur principal de l’équipe de recherche.
La spintronique est une technologie émergente qui utilise le spin des électrons pour coder les informations, accélérer le traitement des données, augmenter la densité des circuits et réduire la consommation d’énergie. Une nouvelle branche de la spintronique, appelée optospintronique, utilise l’optique, ou la lumière, pour mesurer ou contrôler le spin des électrons.
« Ces propriétés anisotropes optiques peuvent être utilisées pour concevoir de nouveaux dispositifs fonctionnels, notamment des photodétecteurs, des générateurs de lumière à polarisation linéaire, des capteurs de contrainte et des dispositifs de synapse artificielle », a déclaré le co-auteur principal Shengxue Yang de l’Université Beihang.
Le COVCl, qui forme une structure cristalline d’atomes de vanadium, d’oxygène et de chlorure, n’est qu’un des nombreux matériaux pouvant être séparés mécaniquement en couches ultrafines et présentant des caractéristiques physiques dépendantes de la direction et de l’orientation. Le graphène, une seule couche de carbone dans une structure en nid d’abeille, et le phosphore noir, un matériau qui est structurellement similaire au graphène mais qui est plutôt composé d’atomes de phosphore, ont tous deux été caractérisés pour leur résistance et leur capacité à conduire la chaleur et l’électricité, avec du phosphore noir servant potentiellement de remplacement au graphène plus toxique dans les applications biomédicales.
Alors que les caractéristiques physiques des matériaux 2D sont souvent théorisées par des calculs prédictifs, les matériaux ultrafins doivent être caractérisés de manière empirique pour confirmer leurs propriétés mécaniques, optiques, magnétiques et autres. Les résultats expérimentaux correspondent souvent aux calculs théoriques et peuvent être utilisés pour confirmer à la fois la qualité et la composition du matériau synthétisé. Avec la confirmation empirique des propriétés physiques du matériau ultrafin, des caractéristiques uniques peuvent être exploitées pour les applications émergentes des nanotechnologies du futur, y compris l’informatique quantique, la détection de force et le stockage d’énergie.
Plus d’information:
Tianle Zhang et al, Forte anisotropie optique dans le plan dans 2D van der Waals antiferromagnétique VOCl, Nano-recherche (2023). DOI : 10.1007/s12274-022-5358-0
Fourni par Tsinghua University Press