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| Chen et al. informan de la observación de ferromagnetismo a temperatura ambiente en una monocapa 2D de Zn1-xCoxO (gZCO) grafítica con gran estabilidad ambiental; las esferas roja, azul y amarilla representan átomos de cobalto, oxígeno y zinc, respectivamente. Crédito de la imagen: Lawrence Berkeley National Laboratory. |
Ferromagnetismo sintonizable a temperatura ambiente en ZnO bidimensional van der Waals dopado con Co
El reciente descubrimiento del ferromagnetismo en cristales bidimensionales de Van der Waals ha provocado un aumento del interés por la exploración de la interacción fundamental de espín en dimensiones reducidas. Sin embargo, los materiales candidatos existentes tienen varias limitaciones, en particular la falta de orden ferromagnético intrínseco a temperatura ambiente y de estabilidad en el aire. Aquí, motivados por la temperatura de Curie anómalamente alta observada en los óxidos magnéticos diluidos a granel, demostramos el ferromagnetismo a temperatura ambiente en el óxido de zinc similar al grafeno dopado con Co, un material estratificado químicamente estable en el aire, hasta el espesor de un solo átomo. Mediante el efecto magneto-óptico Kerr, el dispositivo de interferencia cuántica superconductor y las mediciones de dicroísmo circular magnético de rayos X, observamos claras evidencias de magnetización espontánea en estos sistemas de materiales exóticos a temperatura ambiente y superior. Los resultados de la microscopía electrónica de transmisión y de la microscopía de fuerza atómica excluyen explícitamente la existencia de clusters metálicos de Co o de óxidos de cobalto. Las caracterizaciones de rayos X revelan que los átomos de Co sustitutivos forman estados Co2+ en la red grafítica del ZnO. Al variar el nivel de dopaje de Co, observamos transiciones entre fases paramagnéticas, ferromagnéticas y menos ordenadas debido a la interacción entre las interacciones impureza-banda-intercambio y superintercambio. Nuestro descubrimiento abre otra vía hacia el ferromagnetismo 2D a temperatura ambiente con la ventaja de una excepcional sintonización y robustez.
"Somos los primeros en fabricar un imán 2D a temperatura ambiente que es químicamente estable en condiciones ambientales", dijo el Dr. Yao.
"Este descubrimiento es emocionante porque no sólo hace posible el magnetismo 2D a temperatura ambiente, sino que también descubre un nuevo mecanismo para realizar materiales magnéticos 2D", añadió Rui Chen, estudiante de posgrado de la Universidad de California en Berkeley y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
El Dr. Yao, Chen y sus coautores sintetizaron el imán de óxido de zinc van der Waals dopado con cobalto a partir de una solución de óxido de grafeno, zinc y cobalto.
Con sólo unas horas de cocción en un horno de laboratorio, la mezcla se transformó en una única capa atómica de óxido de zinc con un puñado de átomos de cobalto entre capas de grafeno.
En un último paso, se quema el grafeno, dejando sólo una capa atómica de óxido de zinc dopado con cobalto.
"Con nuestro material, no hay grandes obstáculos para que la industria adopte nuestro método basado en la solución. Es potencialmente escalable para la producción en masa con costes más bajos", dijo el Dr. Yao.
Para confirmar que la película 2D resultante tiene un solo átomo de grosor, los investigadores realizaron experimentos de microscopía electrónica de barrido para identificar la morfología del material, y de microscopía electrónica de transmisión para examinar el material átomo por átomo.
Con la prueba de que su material 2D tiene realmente un átomo de grosor, demostraron que el imán funciona con éxito a temperatura ambiente.
En conjunto, los experimentos demostraron que el sistema de grafeno-óxido de zinc se vuelve débilmente magnético con una concentración del 5-6% de átomos de cobalto.
Si se aumenta la concentración de átomos de cobalto hasta un 12%, se obtiene un imán muy potente.
Para sorpresa del equipo, una concentración de átomos de cobalto superior al 15% hace que el imán 2D pase a un exótico estado cuántico de "frustración", en el que los distintos estados magnéticos del sistema 2D compiten entre sí.
Y a diferencia de los imanes 2D anteriores, que pierden su magnetismo a temperatura ambiente o superior, los científicos descubrieron que el nuevo imán no sólo funciona a temperatura ambiente, sino también a 100 grados Celsius (212 grados Fahrenheit).
"Nuestro sistema magnético 2D muestra un mecanismo distinto en comparación con los imanes 2D anteriores. Y creemos que este mecanismo único se debe a los electrones libres del óxido de zinc", dijo Chen.
Fuentes, créditos y referencias:
El trabajo del equipo se ha publicado en la revista Nature Communications.
R. Chen et al. 2021. Tunable room-temperature ferromagnetism in Co-doped two-dimensional van der Waals ZnO. Nat Commun 12, 3952; doi: 10.1038/s41467-021-24247-w