Metallisches Schichtmaterial Chemiker schalten Magnetismus ein und aus

Redakteur: Rebecca Vogt

Bereits die geringfügige Änderung der Struktur eines zweidimensionalen Schichtmaterials hat verblüffende Auswirkungen auf dessen magnetische Eigenschaften. Das haben Chemiker der Universität Leipzig herausgefunden. Der Magnetismus des Schichtmaterials lässt sich ein- und ausschalten.

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Links im Bild: ferromagnetisches NbS2 in der natürlich vorkommenden Honigwaben-(H)-Struktur. Die magnetischen Momente der am Niob lokalisierten Elektronen sind durch Pfeile dargestellt. Rechts im Bild: in der Haeckelit-(S)-Struktur ist die lokale Geometrie der Niobatome sehr ähnlich wie in der Honigwabenstruktur. Trotzdem ist das Material diamagnetisch, wie durch die antiparallelen Spins (Pfeile) dargestellt.
Links im Bild: ferromagnetisches NbS2 in der natürlich vorkommenden Honigwaben-(H)-Struktur. Die magnetischen Momente der am Niob lokalisierten Elektronen sind durch Pfeile dargestellt. Rechts im Bild: in der Haeckelit-(S)-Struktur ist die lokale Geometrie der Niobatome sehr ähnlich wie in der Honigwabenstruktur. Trotzdem ist das Material diamagnetisch, wie durch die antiparallelen Spins (Pfeile) dargestellt.
(Bild: Dr. Agnieszka Beata Kuc)

Durch Computersimulationen konnte die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Thomas Heine zeigen, dass eine kleine Veränderung im Bindungsmuster des metallischen Schichtmaterials Niobdisulphid dessen Magnetismus an- und ausschaltet. „Die Honigwaben-Anordnung des Niobdisulphids ändert sich und wird zu einem Muster aus Achtringen und Vierringen. Die lokale Struktur der Niobatome bleibt dabei jedoch weitgehend unverändert. In der alternativen Anordnung können die Elektronen benachbarter Atome nun direkt miteinander wechselwirken und eine Bindung ausbilden“, erklärt Heine.

Die magnetischen Momente der Elektronen würden sich dadurch aufheben und das Material verliere so seine magnetischen Eigenschaften. Der daraus entstandene nur sehr schwach magnetische (diamagnetische) Halbleiter könnte Heine zufolge für Anwendungen in der zweidimensionalen Elektronik interessant sein.

Elektronen mit magnetischem Moment

„Magnetische Materialien sind faszinierend. Ohne sie gäbe es zum Beispiel keine Elektromotoren, Windräder oder Festplatten“, sagt der Chemiker. Ursache des Magnetismus sind die Elektronen, die ein magnetisches Moment tragen. Dies gilt für alle bekannten Materialien. Allerdings wechselwirken die Elektronen in der Regel so, dass sich deren magnetische Momente gegeneinander aufheben. Daher sind die meisten Materialien nicht oder nur sehr schwach magnetisch.

Experimente müssen Berechnungen noch bestätigen

In magnetischen Materialien gibt es einige nicht-wechselwirkende Elektronen, die kollektiv für den Magnetismus verantwortlich sind. Magnetismus in Materialien kann sowohl positive als auch negative Eigenschaften für Anwendungen haben. Er ist für übliche dreidimensionale Materialien weitestgehend erforscht. In zweidimensionalen Kristallen ist der Magnetismus jedoch noch nicht im Detail untersucht worden. Die theoretischen Berechnungen der Leipziger Forscher müssen nun durch Experimente im Labor bestätigt werden.

Entdeckung des zweidimensionalen Materials Graphen

Das Forschungsgebiet der zweidimensionalen Kristalle wurde durch die Entdeckung von Graphen – einer Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur – ins Leben gerufen. Im Jahr 2010 wurde Konstantin Novoselov und Andre Geim für diese Entdeckung der Nobelpreis verliehen.

Bald danach fanden Wissenschaftler weitere zweidimensionale Kristalle mit interessanten Eigenschaften, die heute im Bereich der Opto- und Nanoelektronik Anwendung finden. Einige davon sind halbleitend oder metallisch.

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