Открыт материал с рекордной намагниченностью Международная группа исследователей синтезировала вещество, сочетающее, казалось бы, несочетаемое: легкость графена и силу постоянного магнита. Строение материала CIT, его рекордная температура перехода и намагниченность, а также уникальные магнитные и термодинамические свойства. Источник: Yong Wang from Xi'an University of Electronics and Technology Между учеными из Китая и США состоялось масштабное сотрудничество, итогом которого стало создание принципиально нового материала. Они синтезировали двумерный магнит на основе индия и хрома (его формула Cr₆In₂Te₁₂, а короткое название — CIT), применив метод химического транспорта в паровой фазе. Этот материал обладает стабильным ферромагнетизмом при комнатной температуре, то есть является постоянным магнитом, как кусок железа, но при этом он невероятно тонкий и его можно расслаивать на атомарные слои. Более того, у него обнаружен выраженный магнитокалорический эффект — способность менять температуру под воздействием магнитного поля. Это открывает фантастические перспективы для создания энергоэффективной электроники, систем охлаждения нового поколения и спинтронных устройств. Результаты опубликованы в издании Materials Futures. Двумерные материалы, к которым относится и графен, давно привлекают ученых своими уникальными свойствами. Однако главной проблемой было создать такой материал, который сохранял бы свои магнитные свойства при комнатной температуре, а не только в условиях глубокого холода. Предыдущие кандидаты, вроде CrI₃ или Fe₃GeTe₂, с этим не справлялись. Команде исследователей удалось синтезировать высококачественные кристаллы CIT, которые не теряют своих магнитных качеств даже после долгого пребывания на воздухе, что говорит об их стабильности и долговечности. Ключевые параметры нового материала впечатляют: •Его точка Кюри (температура, выше которой он теряет магнетизм) составляет 320 К, что примерно на 47 градусов выше комнатной температуры. Это гарантирует стабильную работу устройств в обычных условиях. •Он обладает рекордно высокой намагниченностью насыщения — около 52,3 электромагнитных единиц на грамм. Проще говоря, это очень сильный магнит для своего веса. Точка Кюри — это критическая температура, выше которой материал, обладающий постоянными магнитными свойствами (ферромагнетик), теряет их и становится обычным, парамагнитным веществом. Проще говоря, это температура «размагничивания». Например, у железа точка Кюри составляет около 770 °C. Если раскалить железный магнит докрасна, он перестанет притягивать металл. Для практического применения любого магнитного материала его точка Кюри должна быть существенно выше комнатной температуры (около 25 °C), иначе устройство на его основе будет работать только в морозильнике. В данном случае точка Кюри CIT в 320 K (примерно 47 °C) гарантирует стабильную работу устройств при нормальных условиях. Магнитная структура CIT сложна и интересна. В нем существует несколько осей, вдоль которых магнетизм выстраивается легче всего. Это результат конкуренции между различными магнитными взаимодействиями внутри материала. Такая анизотропия в сочетании с высокой точкой Кюри означает, что его магнитным состоянием можно эффективно управлять. Еще одно важное свойство — мощный магнитокалорический эффект. При воздействии внешнего магнитного поля материал демонстрирует значительное изменение магнитной энтропии, что и лежит в основе охлаждения. Его показатели охлаждающей способности и максимального изменения энтропии достигают 242 Дж/кг и 3,26 Дж/кг*К соответственно при поле в 6 Тесла. Это делает CIT одним из самых перспективных кандидатов для создания магнитных холодильников, которые будут потреблять меньше энергии и не использовать вредные газы. Анализ критического поведения материала указывает на то, что взаимодействия в нем хорошо описываются моделью среднего поля, но также видны следы аномальных фазовых переходов. Это еще раз подтверждает наличие сложных и конкурирующих магнитных взаимодействий, изучение которых обогащает наши фундаментальные представления о магнетизме на атомарном уровне. Что крайне важно, CIT сохраняет свои ферромагнитные свойства даже будучи расслоенным до нескольких атомов в толщину. Это открывает дорогу для интеграции его в гетероструктуры с другими двумерными материалами, такими как графен или нитрид бора, для создания устройств с заданными функциями. Свойство материала CIT Точка Кюри (Тс) 320 K (~47 °C) Материал остается магнитом при любой комнатной температуре, даже в жару. Намагниченность насыщения (Ms) ~52.3 emu/g Это очень высокий показатель, магнит сильный для своего невероятно малого веса. Магнитное поле для измерения эффекта 6 T Очень сильное поле, показывающее потенциал материала в экстремальных условиях. Изменение магнитной энтропии (ΔS_m) 3.26 Дж/(кг*К) Высокий показатель, ключевой для эффективного магнитного охлаждения. Охлаждающая способность (RCP) 242 Дж/кг Показывает, сколько тепла материал может отвести за один рабочий цикл. Теперь ученые планируют сосредоточиться на нескольких направлениях: 1.Разработка и оптимизация конкретных устройств: магнитной памяти, логических элементов и сенсоров на основе CIT. 2.Масштабирование процесса синтеза для получения материала в промышленных объемах. 3.Создание гетероструктур с другими материалами для получения новых функциональных возможностей. 4.Фундаментальные исследования для точной настройки магнитных состояний CIT на атомарном уровне. Открытие CIT — это не просто научный эксперимент, а ценный шаг на пути к практическому применению двумерных магнитов. Материал сочетает в себе высокую температуру перехода, большую намагниченность и сильный магнитокалорический эффект, что делает его идеальной платформой для технологий будущего. Реальная польза этого исследования лежит в двух ключевых плоскостях: энергоэффективность и миниатюризация электроники. •Во-первых, магнитокалорический эффект — это потенциальный прорыв в охлаждении. Представьте себе холодильники или системы кондиционирования процессоров, в которых нет компрессоров, хладагентов и трущихся частей. Они были бы бесшумными, чрезвычайно надежными и потребляли бы значительно меньше энергии, что критически важно в свете глобального энергоперехода. •Во-вторых, для спинтроники это фундаментальный кирпичик. Устройства, использующие спин электрона, а не его заряд, теоретически могут быть гораздо быстрее и меньше нынешней кремниевой электроники. Стабильный магнит при комнатной температуре — это основа для создания энергонезависимой оперативной памяти (MRAM), которая не теряет данные при отключении питания, но при этом работает с скоростью современной DRAM. Это может изменить архитектуру вычислительных систем, устранив узкое место между памятью и процессором. Основное замечание касается перехода от лабораторного образца к массовому производству и интеграции в устройства. В статье упоминается стабильность материала на воздухе, что уже большой плюс по сравнению с аналогами. Однако ключевой вопрос — интерфейсная стабильность. Как поведет себя атомарно тонкий слой CIT при контакте с оксидами металлов, диэлектриками или другими материалами в реальном микрочипе? Не произойдет ли химическая деградация, диффузия атомов или потеря магнитных свойств на границе раздела? Этих данных в исследовании пока нет. Кроме того, метод химического транспорта в паровой фазе часто позволяет получать высококачественные, но небольшие кристаллы. Для промышленности необходим метод осаждения тонких пленок CIT на большие подложки, например, методом CVD (химического осаждения из паровой фазы), который еще предстоит разработать и освоить. Таким образом, главный вызов — не в самом открытии, а в преодолении инженерных барьеров на пути его коммерциализации.
.jpg.71bf76dbdb98537f4d80a30b1691c382.jpg)
