Magnétique avec une pincée d'hydrogène
Une équipe de chercheurs développe une nouvelle idée pour améliorer les propriétés des matériaux ultraminces
Les matériaux magnétiques bidimensionnels constitués d'une ou de quelques couches atomiques ne sont connus que depuis peu et promettent des applications intéressantes, par exemple pour l'électronique du futur. Toutefois, jusqu'à présent, il n'a pas été possible de contrôler suffisamment bien les états magnétiques de ces matériaux. Une équipe de recherche germano-américaine dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et l'université technologique de Dresde (TUD) présente aujourd'hui dans la revue Nano Letters une idée novatrice qui pourrait remédier à cette lacune, en permettant à la couche 2D de réagir avec l'hydrogène.
Changement de la densité d'aimantation du matériau 2D non van der Waals CdTiO3 lors de l'hydrogénation, avec sa structure atomique passivée superposée. Les régions rouges indiquent une augmentation de l'aimantation, tandis que les régions bleues signalent une réduction correspondante.
HZDR / Tom Barnowsky
Les matériaux 2D sont ultraminces, parfois constitués d'une seule couche atomique. En raison de leurs propriétés particulières, cette classe de matériaux encore jeune offre des perspectives intéressantes pour la spintronique et le stockage de données. En 2017, les experts ont découvert une nouvelle variante : les matériaux 2D magnétiques. Cependant, il était jusqu'à présent difficile de faire basculer ces systèmes entre deux états magnétiques - une condition préalable à la construction de nouveaux types de composants électroniques - par le biais d'influences chimiques ciblées. Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs du HZDR et de la TUD, dirigée par Rico Friedrich, chef du groupe de recherche junior, a jeté son dévolu sur un groupe particulier de matériaux 2D : les couches obtenues à partir de cristaux dans lesquels il existe des liaisons chimiques relativement fortes : les matériaux 2D dits "non van der Waals".
Il y a vingt ans, Konstantin Novoselov et Andre Geim, lauréats du prix Nobel de physique, ont réussi pour la première fois à produire un matériau 2D de manière ciblée : À l'aide d'un ruban adhésif, ils ont décollé une fine couche d'un cristal de graphite, isolant ainsi une couche unique de carbone, le graphène. Cette astuce simple a fonctionné parce que les différentes couches de graphite ne sont que faiblement liées chimiquement. C'est d'ailleurs exactement ce qui permet de tracer des lignes sur le papier avec un crayon.
"Ce n'est que depuis quelques années qu'il est possible de détacher des couches individuelles de cristaux à l'aide de procédés à base de liquide, dans lesquels les couches sont beaucoup plus fortement liées que dans le graphite", explique Rico Friedrich, responsable du groupe de recherche junior AutoMaT "DRESDEN-concept". "Les matériaux 2D qui en résultent sont beaucoup plus actifs chimiquement que le graphène, par exemple. La raison : ces couches présentent des liaisons chimiques insaturées à leur surface et ont donc une forte tendance à se lier à d'autres substances.
Transformer 35 en 4
Friedrich et son équipe ont eu l'idée suivante : en faisant réagir la surface réactive de ces matériaux 2D avec de l'hydrogène, il devrait être possible d'influencer spécifiquement les propriétés magnétiques des couches minces. Toutefois, il n'était pas évident de déterminer quels systèmes 2D étaient particulièrement adaptés à cette fin. Pour répondre à cette question, les experts ont passé au peigne fin leur base de données de 35 nouveaux matériaux 2D et ont effectué des calculs détaillés et approfondis à l'aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Le défi consistait à garantir la stabilité des systèmes passivés par l'hydrogène sur les plans énergétique, dynamique et thermique et à déterminer l'état magnétique correct - une tâche qui ne pouvait être accomplie qu'avec le soutien de plusieurs centres de calcul à haute performance.
À l'issue de ce travail difficile, il restait quatre matériaux 2D prometteurs. Le groupe les a à nouveau examinés de plus près. "Au final, nous avons pu identifier trois candidats susceptibles d'être activés magnétiquement par passivation à l'hydrogène", rapporte Friedrich. Un matériau appelé titanate de cadmium (CdTiO3) s'est avéré particulièrement remarquable : il devient ferromagnétique, c'est-à-dire un aimant permanent, sous l'influence de l'hydrogène. Les trois candidats traités à l'hydrogène devraient être faciles à contrôler magnétiquement et pourraient donc convenir à de nouveaux types de composants électroniques. Comme ces couches sont extrêmement fines, elles pourraient être facilement intégrées dans des composants plats - un aspect important pour les applications potentielles.
Des expériences sont déjà en cours
"L'étape suivante consiste à confirmer expérimentalement nos résultats théoriques", explique Rico Friedrich. "Plusieurs équipes de recherche tentent déjà de le faire, par exemple à l'université de Kassel et à l'Institut Leibniz de recherche sur l'état solide et les matériaux de Dresde. Mais la recherche sur les matériaux 2D se poursuit également au HZDR et au TUD : Friedrich et son équipe travaillent notamment sur de nouveaux types de matériaux 2D qui pourraient s'avérer utiles à long terme pour la conversion et le stockage de l'énergie. L'accent est mis sur la possibilité de diviser l'eau en oxygène et en hydrogène. L'hydrogène vert ainsi obtenu pourrait alors être utilisé, par exemple, comme moyen de stockage de l'énergie lorsque l'énergie solaire et éolienne est insuffisante.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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