Elk materiaal heeft zijn eigen unieke eigenschappen. Welke eigenschappen dat precies zijn – geleiding, doorzichtigheid, stevigheid om er een paar te noemen – wordt bepaald door het soort atomen en hun rangschikking. De onderzoeksgroep van Guus Rijnders van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente beïnvloedt deze rangschikking in de hoop nieuwe eigenschappen van materialen te ontdekken.
Atoom voor atoom opbouwen
Onlangs lukte dit bij ultradunne laagjes – zogeheten ‘films’ – van een mengsel lanthaan, strontium, mangaan en zuurstof (ook wel bekend als LSMO-films). Het team verkreeg een bijzondere combinatie van eigenschappen: de films geleiden geen stroom, maar ze zijn wel magnetisch en dat bij kamertemperatuur en ver daarboven. Vooral dat laatste is interessant, aldus Rijnders. “Bij veel vergelijkbare materialen verdwijnt het magnetisme bij zulke hoge temperaturen.”
Dat in de films van Rijnders het magnetisme wél bij kamertemperatuur bleef bestaan, komt doordat hij de structuur van het materiaal tijdens het productieproces wist te veranderen. Voor het maken van deze films wordt een in Twente zeer verfijnde methode gebruikt, waarbij onder invloed van lasers en hoge druk (in jargon: gepulste laserdepositie) atomen laag voor laag neergelegd worden op een ondergrond van strontiumtitanaat.
“Het magnetisme in deze materialen wordt bepaald door de manier waarop de atomen zijn gerangschikt”, zegt Rijnders. “Wij hebben deze rangschikking beïnvloedt, zodat het magnetisme binnen het materiaal op een andere manier tot stand komt. Dat deden we zodanig dat het materiaal ook bij kamertemperatuur nog sterk magnetisch is.” In feite hebben Rijnders en zijn team totale controle over wat voor materiaal ze bouwen. Binnen de groep wordt wel eens gesproken over ‘lego-en met atomen’.
Volledig onverwacht
Het fabriceren van deze films luistert nog bijzonder nauw. De laagjes zijn slechts vier nanometer dik, ongeveer twintigduizend keer dunner dan een haar. “Maar wanneer de dikte 4,5 nanometer was, verdwenen de bijzondere eigenschappen”, vertelt Rijnders. “Een atoomlaag meer of minder maakte echt uit.” De films zijn met een oppervlakte van vijf bij vijf millimeter (vijf miljoen nanometer) veel breder dan dik en dus nagenoeg tweedimensionaal.
De onderzoekers stuitten volledig onverwacht op de bijzondere eigenschappen. “We waren eigenlijk met iets heel anders bezig”, zegt Rijnders. “We onderzochten de richting van het magneetveld binnen het materiaal. Een student probeerde het materiaal eens op een andere manier te maken om te zien of dit hier invloed op had. Normaal verwacht je dat de magnetisatie bij hogere temperatuur naar nul gaat, maar we zagen bij kamertemperatuur nog steeds een hoge magnetisatie. Dat zijn we toen verder gaan onderzoeken.”
Spintronica
De combinatie van isolerende en magnetische eigenschappen maakt deze films interessant voor de zogeheten spintronica, een nieuwe manier om elektronica te bouwen. Daarbij wordt niet met de lading van elektronen gewerkt, maar met hun eigen magneetveld, bekend als de spin. Deze spin kan twee richtingen hebben – in jargon ‘spin up’ en ‘spin down’ genoemd – die je als een 0 en een 1 kunt gebruiken in schakelingen.
Volgens Rijnders kan zijn materiaal gebruikt worden voor een basiselement van schakelingen in de spintronica, een zogenoemd ‘spinfilter’. Rijnders: “In de spintronica heb je manieren nodig om de spin van elektronen te detecteren. Door een spinfilter kunnen alleen elektronen passeren met een bepaald soort spin, bijvoorbeeld spin up. Je kunt zo’n filter dus gebruiken om van een elektrische stroom te bepalen hoeveel elektronen spin up hebben en hoeveel spin down. Dit materiaal zou je voor zo’n filter kunnen gebruiken. We zijn nu bezig apparaatjes te maken met dit materiaal om te zien of het ook werkt. Daar zit nog veel vervolgonderzoek in.”
Bron:
- Boschker, H. e.a., High-temperature magnetic insulating phase in ultra thin La0.67Sr0.33MnO3 (110) films, Physical Review Letters (12 oktober, online). DOI:10.1103/PhysRevLett.109.157207
Lees meer op Kennislink over spintronica:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/spintronica/index.atom?m=of", “max”=>"5", “detail”=>"minder"}