Уникальные оптические характеристики ультратонкого оксихлорида ванадия (VOCl) делают этот материал отличным кандидатом для использования в нанотехнологиях, таких как поляризационно-зависимая электроника и оптоспинтроника. Предоставлено: Издательство Университета Цинхуа/ Наноисследования (2023 г.). DOI: 10.1007/s12274-022-5358-0

Оптические, электрические и механические свойства некоторых материалов изменяются в зависимости от направления или ориентации материала. Например, в зависимости от того, как режется древесина, ориентация волокон древесины может привести к получению более прочного или более слабого материала с разным внешним видом. Тот же принцип применим к ультратонким двумерным (2D) материалам с уникальными свойствами, такими как магнетизм.

В зависимости от направления механической деформации, приложенной к одному из этих материалов, изменяются магнитные свойства материала. Это может облегчить разработку уникальных магнитных датчиков деформации, которые могут преобразовывать силу в измеримое электрическое изменение. И хотя анизотропия магнитных, механических, оптических и других свойств этих материалов теоретически может быть предсказана, предсказания должны быть подтверждены или отвергнуты на основе эмпирических измерений, чтобы определить истинную пригодность материала для конкретного применения.

Недавнее исследование под руководством ученых из Университета Бэйхан было разработано специально для экспериментальной оценки физических свойств ультратонкого оксихлорида ванадия (VOCl) из-за его потенциальной пригодности для различных нанотехнологий на основе теоретических расчетов. Исследовательская группа систематически характеризовала направленность оптических свойств двумерного материала в зависимости от расположения его атомов, используя поляризованный свет. О результатах сообщается в выпуске Nano Research от 5 января 2023 года.

Исследователи синтезировали объемный VOCl и механически разделили материал на несколько слоев нанометровой толщины, чтобы оценить оптические характеристики 2D VOCl с разных направлений. После того как команда установила атомную микроструктуру и состав синтезированного VOCl, были проведены эксперименты с освещением поляризованным светом двухмерных образцов VOCl, повернутых под разными углами. Исследователи определили, как плоскостная оптическая яркость, поглощение, отражение, ориентация кристалла и симметрия сверхтонкого материала изменяются в зависимости от его атомной структуры и угла падения света, направленного на образец.

Вместе с предсказанным магнетизмом сверхтонких VOCl оптические анизотропные свойства, оцененные в ходе исследования, помогут определить пригодность 2D VOCl для использования в будущих нанотехнологиях.

«Эти результаты закладывают прочную основу для использования 2D VOCl в приложениях спинтроники и оптоспинтроники», — сказал Чэнбао Цзян, профессор Школы материаловедения и инженерии Университета Бэйхан и руководитель исследовательской группы.

Спинтроника — это новая технология, которая использует вращение электронов для кодирования информации, ускорения обработки данных, увеличения плотности схем и снижения энергопотребления. Более новая ветвь спинтроники, называемая оптоспинтроникой, использует оптику, или свет, либо для измерения, либо для управления спином электрона.

«Эти оптические анизотропные свойства могут быть использованы для разработки новых функциональных устройств, включая фотодетекторы, генераторы света с линейной поляризацией, датчики деформации и устройства искусственного синапса», — сказал соавтор Шэнсюэ Ян из Университета Бэйхан.

VOCl, который образует кристаллическую структуру атомов ванадия, кислорода и хлорида, является лишь одним из многих материалов, которые могут быть механически разделены на ультратонкие слои и демонстрируют физические характеристики, зависящие от направления и ориентации. Графен, один слой углерода в сотовой структуре, и черный фосфор, материал, который структурно подобен графену, но вместо этого состоит из атомов фосфора, были охарактеризованы своей прочностью и способностью проводить тепло и электричество с черным фосфором. потенциально может служить заменой более токсичному графену в биомедицинских приложениях.

В то время как физические характеристики 2D-материалов часто теоретизируются с помощью предиктивных расчетов, ультратонкие материалы должны быть охарактеризованы эмпирически, чтобы подтвердить их механические, оптические, магнитные и другие свойства. Экспериментальные результаты часто совпадают с теоретическими расчетами и могут использоваться для подтверждения как качества, так и состава синтезированного материала. С эмпирическим подтверждением физических свойств сверхтонкого материала уникальные свойства могут быть использованы для новых приложений нанотехнологий будущего, включая квантовые вычисления, измерение силы и накопление энергии.