چگونه آهنرباهای لایه نازک را تقویت کنیم؟

محققان دانشگاه ایالتی فلوریدا روش جدیدی برای ایجاد نوع خاصی از مواد دو بعدی و افزایش ویژگی‌های مغناطیسی آن ارائه کرده‌اند.

مواد دو بعدی که تنها چند اتم ضخامت دارند، امکانات جالب توجهی را برای فناوری‌های جدید ارائه می‌دهند. این تیم تحقیقاتی روی لایه‌های نازک از جنس آهن، ژرمانیوم و تلوریم(FGT) متمرکز شد، آن‌ها با کمک این ساختار موفق به ساخت آهنربای نانومقیاس شدند.

این گروه با انجام عملیات شیمیایی، خواص مغناطیسی لایه نازک آهن، ژرمانیوم و تلوریم را تغییر داده به طوری که به عملکرد هزار برابر بهتر از روش‌های رایج رسیدند.

به گزارش ایسنا و به نقل از ستاد توسعه فناوری نانو،‌ مایکل شاتروک، سرپرست این تیم و استاد پژوهشی گروه شیمی و بیوشیمی دانشگاه ایالتی فلوریدا می‌گوید: «مواد دو بعدی به دلیل شیمی، فیزیک و کاربردهای بالقوه‌شان واقعاً جذاب هستند. ما به سمت توسعه دستگاه‌های الکترونیکی کارآمدتر حرکت می‌کنیم که انرژی کمتری مصرف می‌کنند، سبک‌تر، سریع‌تر و پاسخگوتر هستند.

مواد دو بعدی بخش بزرگی از این معادله هستند، اما هنوز کارهای زیادی باید انجام شود تا آنها را بتوانیم در صنعت استفاده کنیم. تحقیقات ما بخشی از تلاش در این مسیر است.»

این مطالعه با لایه‌برداری فاز مایع آغاز شد، روشی برای پردازش محلول که مقادیر زیادی نانوصفحات دوبعدی را از کریستال‌های لایه‌ای ایجاد می‌کند. این تیم تحقیقاتی متوجه شدند که شیمیدانان دیگر از این روش برای ایجاد نیمه‌هادی‌های دو بعدی استفاده کردند، بنابراین تصمیم گرفتند از آن برای مواد مغناطیسی استفاده کنند.

شیمیدانان می‌توانند میزان بیشتری از این مواد را با استفاده از لایه‌برداری فاز مایع در مقایسه با روش لایه‌برداری مکانیکی رایج‌تر، تولید کنند. محققان توانستند با استفاده از این روش، ۱۰۰۰ برابر بیشتر از روش‌های لایه‌برداری مکانیکی سنتی، مواد دوبعدی ایجاد کنند.

مایکل شاتروک می‌افزاید: «این اولین قدم بود و متوجه شدیم که این روش بسیار کارآمد است. هنگامی که لایه‌برداری را انجام دادیم، فکر کردیم، خوب، لایه‌برداری این ساختارها آسان به نظر می‌رسد. اگر با کمک مواد شیمیایی این نانوصفحات را لایه‌برداری کنیم چه می‌شود؟»

فرآیند لایه‌برداری موفقیت‌آمیز آن‌ها FGT کافی تولید کرد تا تحقیقات بیشتری در مورد شیمی این مواد انجام دهند. این تیم نانوصفحات FGT را با یک ترکیب آلی به نام ۷،۷،۸،۸-تتراسیانوکینودیمتان(TCNQ) ترکیب کردند. این فرآیند الکترون‌ها را از نانوصفحات FGT به مولکول‌های TCNQ منتقل کرد و در نتیجه ماده جدیدی به نام FGT-TCNQ ایجاد شد.

پیشرفت دیگر ایجاد یک آهنربای دائمی با توان مغناطیسی افزایش یافته بود. در حالی که پیشرفته‌ترین آهنرباهای دائمی می‌توانند در برابر میدان‌های مغناطیسی چندین تسلا مقاومت کنند، دستیابی به مقاومت مشابه در آهنرباهای دوبعدی مانند FGT بسیار چالش‌برانگیزتر است.

محققان با لایه‌برداری کریستال‌های FGT به نانوصفحات، ماده‌ای با قدرت مغناطیسی حدود ۰٫۱ تسلا ایجاد کردند که هنوز برای بسیاری از کاربردهای عملی کافی نیست. با این حال، هنگامی که آن‌ها TCNQ را به نانوصفحات FGT اضافه کردند، این توان مغناطیسی پنج برابر افزایش یافت و به ۰٫۵ تسلا رسید. این نتایج فرصت‌های امیدوارکننده‌ای را برای استفاده از آهن‌رباهای دوبعدی درحوزه‌هایی مانند ذخیره‌سازی داده، فیلتر چرخشی و محافظ الکترومغناطیسی باز می‌کند.

برخلاف آهنرباهای الکترومغناطیسی که برای تولید میدان مغناطیسی به الکتریسیته نیاز دارند، آهنرباهای دائمی به تنهایی میدان مغناطیسی پایدار ایجاد می‌کنند. این آهن‌رباها در بسیاری از فناوری‌ها، از جمله بلندگوها، توربین‌های بادی، تلفن‌های همراه، هارد دیسک‌ها و دستگاه‌های MRI، اجزای حیاتی هستند.

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان Opening the Hysteresis Loop in Ferromagnetic Fe۳GeTe۲ Nanosheets Through Functionalization with TCNQ Molecules در مجله Angewandte Chemie منتشر شده است.