Det lykkedes et forskerteam at inducere ferromagnetisme, en vigtig egenskab ved konventionelle magneter, i rent vanadiumoxid, en forbindelse, der ikke tidligere er anerkendt for sådan magnetisk opførsel. Gennem en række eksperimenter bekræftede teamet, at de ved nøjagtigt at justere oxidationstilstanden for vanadiumioner kunne få elementet til at opføre sig magnetisk.
Forskningen offentliggøres i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer. Holdet blev ledet af professor Chun-yeol dig fra Institut for Fysik og Kemi i DGIST.
Vanadiumoxid (VO) er bredt kendt for sin metal-isolatorovergang (MIT), et fænomen, hvor dets elektriske ledningsevne dramatisk ændres afhængigt af temperaturen. Mens dens elektroniske egenskaber er blevet undersøgt omfattende, er dens magnetiske egenskaber – især muligheden for ferromagnetisme – stort set uudforsket. VO udviser typisk antiferromagnetisk eller paramagnetisk opførsel, der begrænser dens anvendelse som et magnetisk materiale.
Uden at anvende doping eller indføre strukturelle defekter undersøgte teamet, om rent vanadiumoxid kunne blive ferromagnetisk udelukkende ved at variere dets oxidationstilstand. For at opnå dette deponerede de tynde lag af metallisk vanadium og justerede systematisk iltkoncentrationen og producerede tynde film med forskellige oxidationsniveauer.
Resultaterne afslørede en klar tendens: lavere oxidationstilstande førte til stærkere ferromagnetisk opførsel, mens højere oxidationstilstande mindskede den. Navnlig blev ferromagnetisme observeret, når vanadiumioner i forskellige oxidationstilstande (f.eks. Vanadium (III) og vanadium (IV)) eksisterede inden for materialet. Denne ferromagnetiske opførsel opstod i lokaliserede regioner og var i overensstemmelse med Density Functional Theory (DFT) forudsigelser, hvilket styrker gyldigheden af de eksperimentelle resultater.
Tidligere blev det generelt antaget, at opnåelse af ferromagnetisme i vanadiumoxid krævede ekstrinsiske faktorer, såsom kemisk doping eller strukturelle ufuldkommenheder. Imidlertid viser denne undersøgelse, at magnetiske egenskaber kan konstrueres gennem oxidationskontrol alene, hvilket repræsenterer et betydeligt gennembrud i forståelsen af vanadiumoxid.
Professor du bemærkede, “Vi bekræftede, at den blandede valensstatus i Vanadium-ioner spiller en kritisk rolle i at generere ferromagnetisme, og denne egenskab kan finjusteres ved at kontrollere oxidationsniveauer. Disse fund kan give værdifulde designprincipper til udvikling af avancerede magnetiske materialer og hjælpe med at etablere en grundlæggende materialeplatform til næste generationsinformationsenheder.”