Two-dimensional Phyllosilicates as an Air-stable Platform for Layered Magnetic Materials

Seit der Entdeckung von Graphen wurde über ein Jahrzehnt lang keine intrinsische magnetische Ordnung in zweidimensionalen (2D) Materialien beobachtet. Verschiedene Ansätze wie Proximity-Effekt, Defekt-Engineering und Dotierung wurden verfolgt, um Magnetismus in ursprünglich nichtmagnetischen 2D-Materialien zu induzieren. Die Beobachtung von intrinsischem 2D-Ferromagnetismus wurde erstmals bei Chromverbindungen beschrieben, seither auch bei anderen Van-der-Waals-Materialien (vdW). Ihre Bedeutung ergibt sich aus der Möglichkeit, sie in vdW-Heterostrukturen zu integrieren und so Anwendungen in Spintronik und Datenspeicherung zu eröffnen. Um ihr Potenzial auszuschöpfen, müssen 2D-Magnete umweltstabil sein und eine kritische Ordnungstemperatur über Raumtemperatur aufweisen. Da Chromverbindungen langfristig nicht stabil sind und nur bei kryogenen Temperaturen magnetisch werden, wird hier ein alternativer Ansatz gewählt: Magnetische Dotierstoffe (Fe, V, Co) werden in diamagnetische vdW-Materialien eingebracht, um verdünnte magnetische Schichtsysteme zu erzeugen. Deren Effizienz hängt jedoch stark von einer präzise kontrollierten Dotierstoffkonzentration ab. Diese Arbeit zielt darauf ab, 2D-Magnetmaterialien zu etablieren, die unter Umgebungsbedingungen stabil sind, in dünnen Schichten hergestellt und in Bauteile integriert werden können. Im Gegensatz zu synthetischen Systemen sind Phyllosilikate natürlich vorkommende Schichtmaterialien, die durch Magnesiumsubstitution in ihren Oktaederstellen lokale magnetische Ionen enthalten. Trotz umfangreicher Forschung zu den magnetischen Eigenschaften von Phyllosilikaten blieb ihr Potenzial an der 2D-Grenze bisher unbeachtet. Die strukturelle und magnetische Charakterisierung eisenreicher Phyllosilikate (Minnesotit, Annit, Biotit) zeigt, dass das Verhältnis der Eisenoxidationsstufen (Fe²¿/Fe³¿) die kritische Ordnungstemperatur stark beeinflusst. Gesamtenergieberechnungen legen nahe, dass zufällig verteilte Fe³¿-Ionen ferromagnetische Wechselwirkungen verstärken, wenn sie von Fe²¿ umgeben sind. Die Korrelation zwischen gemischten Fe-Oxidationszuständen und den magnetischen Eigenschaften legt eine Strategie nahe, die kritische Temperatur durch Anpassung des Oxidationszustands gezielt zu erhöhen. Diese Arbeit befasst sich zudem mit der Visualisierung magnetischer Domänen und schichtabhängiger magnetischer Ordnung in 2D-Flocken von Annit. Mithilfe der Raster-SQUID-Mikroskopie Mikroskopie (Scanning Superconducting Quantum Interference Device) werden Streufelder über Stufenkanten von Einkristallflocken kartiert. Diese Karten zeigen, dass Annit von Natur aus Schicht für Schicht als in-plane Typ-A-Antiferromagnet angeordnet ist. Angesichts der Biokompatibilität und Abbaubarkeit von Phyllosilikaten eröffnet die Untersuchung der Entwicklung magnetischer Ordnung und Domänenbildung neue Wege für In-vivo-Biosensoren. Parallel dazu zielt diese Studie auf einen skalierbaren Ansatz zur Induktion von Magnetismus in ursprünglich paramagnetischem Talk (Mg-reiches Phyllosilikat) mittels Breitstrahl-Ionenimplantation ab. Diese Technik verändert den Magnetzustand wirksam und zeigt eine ferromagnetische Ordnung sogar bei Raumtemperatur. Damit könnten Anwendungen in Speicher- und Sensortechnologien realisiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Implantation bei höheren Temperaturen vorteilhaft ist, da sie die Selbstheilung der Struktur unterstützt und den Dotierstoffen ermöglicht, energetisch günstige Gitterplätze einzunehmen. Unsere Ergebnisse tragen zum Verständnis der magnetischen Eigenschaften bei, die durch Defekte und Dotierstoffe in Phyllosilikaten induziert werden, und eröffnen neue Wege für die Herstellung umweltstabiler 2D-Magnetisolatoren mit einstellbaren magnetischen Eigenschaften.