HomeNieuwsUT-onderzoekers geven nano-sheets lokale magnetische eigenschappen

UT-onderzoekers geven nano-sheets lokale magnetische eigenschappen

Tweedimensionale kristallen zijn zeer geschikt om hoogwaardige magnetische dunne films mee te maken. Dat blijkt uit twee recente publicaties van de hand van wetenschappers van UT-onderzoeksinstituut MESA+. De onderzoekers laten zien dat je door de magnetische lagen te groeien op verschillende 2D kristallen, beter bekend als nano-sheets, de voorkeursrichting van het magnetisme zeer lokaal kunt controleren. In een artikel in Advanced Functional Materials presenteren ze deze methode om magnetische patronen op micrometerschaal te creëren. In Angewandte Chemie tonen ze aan dat je de nano-sheets in minder dan een minuut kunt maken, terwijl het syntheseproces juist bekend stond als zeer langzaam. De magnetische films kun je voor veel verschillende toepassingen inzetten, zoals voor nieuwe generaties smartphones.  

Met gepulste laser depositie (PLD) kun je dunne lagen van bepaalde materialen gecontroleerd laten groeien. Hierbij wordt een materiaal met een krachtige laserstraal lokaal sterkt verhit, waardoor het verdampt en er een plasma ontstaat. Dit verspreidt zich snel in een vacuümkamer en slaat neer op een substraat waar het een dunne laag vormt. Op deze manier kun je de dikte van de laag controleren en kun je gladde en dunne lagen vormen, vaak met bijzondere eigenschappen die interessant zijn voor toepassing in bijvoorbeeld elektronica of elektromechanica. Voor dergelijke toepassingen is het echter noodzakelijk dat je ook patronen in de gelaagde materialen kunt aanbrengen. Dit is niet eenvoudig, vooral omdat het substraat tijdens het PLD-proces moet worden verhit tot temperaturen boven de 500 ˚C. Veel van de huidige methodes sluiten daardoor niet aan op bestaande fabricagemethoden voor microstructuren.

Inzet nano-sheets

De UT-onderzoekers hebben nu een nieuwe methode ontwikkeld, waarbij ze gebruikmaken van nano-sheets verkregen uit driedimensionale kristallen met een gelaagde structuur. Als je deze kristallen in een speciale vloeistof oplost vallen ze spontaan uit elkaar in individuele nano-sheets. Lang werd gedacht dat het proces om de kristallen uiteen te laten vallen weken kon duren. De onderzoekers laten nu echter zien dat de nano-sheets zich al binnen enkele seconden kunnen vormen, wat de weg opent voor de productie van nano-sheets op grote schaal.

Vanuit de oplossing kunnen diverse nano-sheets in micropatronen op een substraat worden aangebracht. Deze patronen vormen het startpunt voor de groei van dunne magnetische lagen van magnetisch LaSrMnO3 bij hoge temperaturen door middel van PLD. Afhankelijk van het type nano-sheet neemt de structuur van de magnetische film een bepaalde oriëntatie aan en bepaalt daarmee het magnetisme van de film op die plek. Het proces is onder andere gevolgd met behulp van electron backscatter diffraction (EBSD); een techniek die het mogelijk maakt om de structuur in de patronen 'zichtbaar te maken'.


Bijschrift: EBSD-afbeelding die de lokale structuur van een dunne film laat zien. De linkerhelft van deze afbeeldingen toont de voorkeursrichting van de LaSrMnO3-film loodrecht op de groeirichting, terwijl de rechterhelft de richtingen in het vlak laat zien waarbij de contouren van de individuele nano-sheets goed te zien zijn. De afstand tussen twee lijnen in het patroon bedraagt enkele micrometers. 

Functionele eigenschappen

De onderzoekers laten zo zien dat je de micropatronen kunt inzetten om de functionele eigenschappen van een materiaal verder te sturen. Naast magnetisme is het mogelijk om andere eigenschappen op micrometerschaal te patroneren. Hiermee is een belangrijke stap gezet bij het dichten van de kloof tussen wetenschappelijk onderzoek naar kunstmatig gelaagde kristallen en de uiteindelijke toepassing ervan. De groep uit Twente speelt hierin wereldwijd een leidende rol. 

Onderzoek

Het onderzoek is uitgevoerd door wetenschappers van de vakgroep Inorganic Materials Science van UT-onderzoeksinstituut MESA+. Het maakt onderdeel uit van het TOP-project dat is gefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en de Chinese Scholarship Council. Bij het onderzoek is nauw samengewerkt met de Condensed-Matter and Medical Physics groep aan de Universiteit van Californië (UC, Irvine). 

Publicaties:

Maarten Nijland, Sean Thomas, Mark A. Smithers, Nirupam Banerjee, Dave H.A. Blank, Guus Rijnders, Jing Xia, Gertjan Koster en Johan E. ten Elshof, “Epitaxy on Demand,” Advanced Functional Materials 2015, 25, 5140–5148.

DOI: 10.1002/adfm.201501483

Huiyu Yuan, David Dubbink, Rogier Besselink en Johan E. ten Elshof, “The Rapid Exfoliation and Subsequent Restacking of Layered Titanates Driven by an Acid–Base Reaction,” Angewandte Chemie International Edition, 2015, 54, 9239 –9243.

DOI: 10.1002/anie.201502539