Exploring Magnetism of Lead-free Halide Double Perovskites: A High-Throughput First-Principles Study

Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar een nieuwe generatie materialen die snellere computers en efficiëntere energieapparaten kunnen aandrijven. Een belangrijk onderdeel van deze zoektocht is een familie kristallen bekend als perovskieten, die beroemd zijn om hun vermogen om elektriciteit en licht te geleiden. De meest effectieve versies van deze kristallen bevatten echter lood, een giftig metaal dat ze gevaarlijk maakt om te produceren en af te danken. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers zich gericht op "loodvrije" alternatieven, specifiek een complexe groep genaamd dubbele perovskieten. Deze materialen zijn opgebouwd uit een specifieke rangschikking van atomen waarbij een groot centraal atoom wordt omringd door een kooi van kleinere ionen. De sleutel tot het bruikbaar maken van deze kristallen voor moderne elektronica ligt in hun magnetisme. Als wetenschappers een manier kunnen vinden om deze loodvrije kristallen magnetisch te maken, zouden ze gebruikt kunnen worden in spintronica, een technologie die de spin van elektronen gebruikt in plaats van hun lading om informatie op te slaan en te verwerken. De uitdaging is dat hoewel deze materialen stabiel en niet-giftig zijn, ze zelden sterk magnetisch gedrag vertonen, en wanneer ze dat wel doen, verdwijnt het vaak bij zeer lage temperaturen.

In een uitgebreide nieuwe studie probeerden onderzoekers het magnetische potentieel van deze loodvrije halide dubbele perovskieten in kaart te brengen. In plaats van slechts enkele monsters in een laboratorium te testen, gebruikten ze krachtige computersimulaties om duizenden mogelijke chemische combinaties te screenen. Ze richtten zich op kristallen gemaakt van cesium, chloor en diverse andere elementen, waarbij ze specifiek zochend waren naar gevallen waarin magnetische atomen in de kristalstructuur zijn geplaatst. Het team berekende hoe de magnetische spins van deze atomen met elkaar zouden interageren en voorspelde de temperatuur waarbij het materiaal zijn magnetische orde zou verliezen. Hun simulaties onthulden een algemene regel: de meeste van deze materialen zijn van nature antiferromagnetisch, wat betekent dat hun interne magnetische velden elkaar opheffen, en ze vertonen alleen magnetische eigenschappen bij temperaturen ver onder het vriespunt, vaak minder dan 50 Kelvin. Dit bevestigde dat het simpelweg vervangen van lood niet voldoende is om een bruikbaar magnetisch materiaal te creëren; de specifieke rangschikking van atomen is net zo belangrijk als de elementen zelf.

Ondanks deze algemene trend naar zwak of uitgelokt magnetisme, ontdekte de studie een paar uitzonderlijke kandidaten die de regels breken. De onderzoekers identificeerden drie specifieke verbindingen — cesiumzilvernikelchloride, cesiumgoudnikelchloride en cesiumkwikchromiumchloride — die naar verwachting ferromagnetisch zijn, wat betekent dat hun magnetische velden in dezelfde richting zijn uitgelijnd. Belangrijker nog is dat deze materialen naar verwachting bij veel hogere temperaturen magnetisch blijven dan hun tijdgenoten. Het cesiumkwikchromiumchloride-verbruik wordt voorspeld magnetisch te blijven tot ongeveer 430 Kelvin, terwijl de andere twee naar verwachting hun magnetische staat behouden tot respectievelijk rond de 190 en 240 Kelvin. Nog indrukwekkender is dat twee van deze kandidaten, de verbindingen die goud en zilver bevatten, voorspeld worden "half-metallisch" te zijn. Dit is een zeldzame staat waarbij het materiaal zich als een metaal gedraagt voor elektronen die in één richting spinnen, maar als een isolator voor elektronen die in de tegenovergestelde richting spinnen, waardoor een perfect gepolariseerde stroom ontstaat.

De onderzoekers onderzochten ook waarom deze specifieke combinaties zo goed werken terwijl anderen falen. Ze ontdekten dat de sterkte van de magnetische verbinding sterk afhangt van de atomen die fungeren als bruggen tussen de magnetische centra. In de succesvolle kandidaten maken de chemische bindingen een sterkere interactie mogelijk die de thermische trillingen weerstaat die het magnetisme gewoonlijk vernietigen. In contrast hiermee lijden de minder succesvolle materialen onder lange afstanden tussen magnetische atomen en zwakke chemische bruggen, waardoor hun magnetische orde snel instort wanneer de temperatuur stijgt. De studie merkte ook op dat veel van de veelbelovende kandidaten een lichte verandering in hun vorm ondergaan, waarbij ze verschuiven van een perfecte kubus naar een uitgerekte rechthoek, wat helpt om hun magnetische staat te stabiliseren. Deze structurele verschuiving is een natuurlijke reactie van de atomen op hun elektronische omgeving, in plaats van een gebrek.

Hoewel deze bevindingen momenteel gebaseerd zijn op computermodellen en nog niet in een fysiek laboratorium zijn geverifieerd, bieden ze een duidelijk stappenplan voor toekomstige experimenten. De studie suggereert dat wetenschappers, door zorgvuldig te kiezen welke elementen ze mengen, loodvrije materialen kunnen ontwerpen die niet alleen veilig zijn, maar ook in staat zijn te functioneren als magnetische componenten in elektronische apparaten. De ontdekking van deze hoogtemperatuur, half-metallische kandidaten biedt een veelbelovend pad voorwaarts voor spintronica, wat potentieel kan leiden tot snellere en energie-efficiëntere computertechnologieën. Voor nu dient het werk als een vitale gids, die precies laat zien welke chemische recepten de moeite waard zijn om in de echte wereld te testen om het magnetische potentieel van de volgende generatie materialen te ontsluiten.