10.07.2024

Austauschenergie bei 2D-Materialien

Neue Methode, um Energie zum Drehen eines parallel ausgerichteten Elektronenspins zu messen.

Forschende der Universität Basel haben untersucht, wie die ferro­magnetischen Eigenschaften von Elektronen im zwei­dimensionalen Halbleiter Molybdändisulfid besser verstanden werden können. Sie zeigen, dass die Energie, die benötigt wird, um einen parallel ausgerichteten Elektronen­spin umzudrehen, auf überraschend einfache Art gemessen werden kann.

Abb.: Zweidimensionales Molybdändisulfid wird mit Elektronen (rote Kugeln)...
Abb.: Das zweidimensionale Halbleitermaterial Molybdändisulfid wird mit Elektronen (rote Kugeln) gefüllt. Die Elektron-Elektron-Wechselwirkung führt dazu, dass sich die Spins aller Elektronen (rote Pfeile) in dieselbe Richtung ausrichten.
Quelle: N. Leisgang / Scixel

Bekannt ist Ferromagnetismus von Metallen wie Eisen, Kobalt und Nickel, die bei Raumtemperatur magnetisch sind, weil ihre Elektronenspins parallel ausgerichtet sind. Erst bei sehr hohen Temperaturen verlieren diese Materialien ihre magne­tischen Eigenschaften. Die Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler um Richard Warburton von der Universität Basel haben gezeigt, dass auch Molybdändisulfid unter bestimmten Bedingungen ferro­magnetische Eigenschaften hat. Bei niedrigen Temperaturen und einem externen Magnetfeld richten sich die Elektronen­spins in diesem Material ebenfalls parallel aus.

Nun haben die Forschenden festgestellt, wie viel Energie notwendig ist, um einen einzelnen Elektronenspin in diesem ferro­magnetischen Zustand umzudrehen. Diese Austauschenergie ist wichtig, da sie die Stabilität der ferromagnetischen Eigenschaften beschreibt. „Wir haben Molybdän­disulfid mit einem Laser angeregt und die emittierten Spektral­linien analysiert“, erklärt Nadine Leisgang. Durch die Messung des Abstands zwischen bestimmten Spektrallinien konnten die Forschenden die Austauschenergie bestimmen. Sie fanden heraus, dass diese Energie in Molybdän­disulfid nur etwa zehnmal kleiner ist als in Eisen, was zeigt, dass der Ferromagnetismus des Materials sehr stabil ist. „Obwohl die Lösung einfach erscheint, war viel Detektiv­arbeit nötig, um die Spektrallinien richtig zuzuordnen“, sagt Richard Warburton.

2D-Materialien sind in der Material­forschung sehr wichtig, da sie aufgrund quantenmechanischer Effekte besondere physikalische Eigen­schaften haben. Sie können zudem zu van-der-Waals-Hetero­strukturen gestapelt werden. Im Beispiel der Studie ist die Molybdändisulfid­schicht von hexagonalem Bornitrid und Graphen umgeben. Diese Schichten werden durch schwache van-der-Waals-Bindungen zusammengehalten und besitzen einzigartige Eigen­schaften, die sie für die Elektronik und Opto­elektronik interessant machen. Das Verständnis ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften ist wichtig, um sie in zukünftigen Techno­logien nutzen zu können.

U. Basel / JOL

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