Fysikere skaber kulmagnetisme ved at fjerne atomer fra grafit

(PhysOrg.com) - Fysikere har fundet ud af, at ved at fjerne individuelle atomer fra en grafitoverflade, de kan skabe lokale magnetiske øjeblikke i grafitten. Opdagelsen kan føre til teknikker til kunstigt at skabe magneter, der er ikke -metalliske og biokompatible, samt billigere og lettere end nuværende magneter.

Forskerne, Miguel Ugeda, Ivan Brihuega, og José Gómez-Rodríguez, alle fra det autonome universitet i Madrid, sammen med Francisco Guinea fra Institute of Materials Science of Madrid, har offentliggjort resultaterne af deres undersøgelse i en nylig udgave af Fysisk gennemgangsbreve.

”Det er en presserende udfordring for nanoteknologi at være i stand til at integrere grafen i ægte elektroniske enheder, ”Fortalte Brihuega PhysOrg.com . "Til denne ende, det er obligatorisk at forstå, hvordan tilstedeværelsen af ​​enkeltatomiske defekter ændrer dets egenskaber. I vores arbejde, vi bruger et scanningstunnelmikroskop i ultrarene miljøer til at løse et så grundlæggende spørgsmål for et grafenlignende system, en grafitoverflade. Vores hovedresultat er vores evne til i atomskala at undersøge den iboende påvirkning, som hvert enkelt carbonatom, der fjernes fra overfladen, har i systemets elektroniske og magnetiske egenskaber. ”

Som forskerne forklarer, oprettelse af atomare ledige pladser i grafenlignende materialer ved at fjerne atomer har en stærk indvirkning på det mekaniske, elektronisk, og magnetiske egenskaber ved materialerne. I tidligere undersøgelser, forskere har undersøgt virkningerne af atomåbninger på egenskaberne af materialet som helhed. I den aktuelle undersøgelse, forskerne ønskede at undersøge dybere og se, hvad der sker ved hver enkelt ledig stilling.

I deres eksperimenter, fysikerne brugte stærkt ordnet pyrolytisk grafit, som består af stablede grafenark, der følger AB-AB-stablingssekvensen. Det betyder, at et grafenark (B) forskydes let i forhold til det øvre lag (A) på en sådan måde, at halvdelen af ​​carbonatomerne i det øvre ark A har et carbonatom placeret nøjagtigt under dem, mens den anden halvdel ikke gør det.

Først, forskerne pillede nogle øvre grafenplader af i ultrarene miljøer for at sikre, at det øverste grafenark, dvs. grafitoverfladen, var fuldstændig fri for urenheder. Derefter skabte de enkeltstående stillinger ved at anvende lavenergi-ionbestråling, ved at bruge lige nok energi til at fortrænge overfladeatomerne og producere atompunktdefekter.

Ved hjælp af et hjemmelavet lavtemperatur-scanningstunnelmikroskop, forskerne kunne identificere tilstedeværelsen af ​​en skarp resonanstop oven på individuelle ledige stillinger. Resonansen toppede omkring Fermi -niveauet, som er blevet forudsagt i mange teoretiske undersøgelser, men aldrig er blevet eksperimentelt observeret før nu.

Som forskerne forklarer, resonansen ved en ledig stilling kan være forbundet med et magnetisk moment. De ledige stillinger får elektroner i nærheden til at justere på grund af frastødende elektron-elektron-interaktioner, hvilket fører til dannelsen af ​​de magnetiske øjeblikke. Ud over, ledige stillinger på forskellige steder fremkalder forskellige former for magnetiske øjeblikke, som kan interagere med hinanden. Denne interaktion peger på muligheden for at inducere en makroskopisk ferromagnetisk tilstand i hele grafitmaterialet ved blot at fjerne tilfældige individuelle carbonatomer.

"I et uberørt kulstofsystem, man ville aldrig forvente at finde magnetisme på grund af dets elektroners tendens til at parre sig parvis ved at danne kovalente bindinger, ”Forklarede Brihuega. "Foreningen af ​​elektroner i par modsætter sig eksistensen af ​​et netto magnetisk moment, da det samlede spin af den elektroniske obligation vil være nul. Ved at fjerne et carbonatom fra grafitoverfladen, hvad vi gør præcist er at bryde disse kovalente bindinger, og som følge heraf skaber vi en lokaliseret tilstand med en enkelt uparret elektron, der vil generere et magnetisk moment. ”

Samlet set, resultaterne bekræfter ikke kun nøjagtigheden af ​​teoretiske modeller, men har også flere konsekvenser. For eksempel, de observerede resonanser kan forbedre grafens kemiske reaktivitet. Med hensyn til ansøgninger, resultaterne kan føre til innovative magneter.

“At skabe en magnet fra et rent kulstofsystem er en fristende mulighed, da dette ville være en metalfri magnet og dermed optimal til anvendelser inden for biomedicin, ”Sagde Brihuega. "Ud over, det burde være meget billigere at producere end konventionelle magneter siden, at give nogle tal, et ton kul koster omkring tusind gange mindre end et ton nikkel ($ 16 vs. $ 16, 000), et almindeligt brugt materiale i egentlige magneter. For grafensystemer, man ville også have fleksibilitet og lethed som yderligere fordele; men til dato, den samlede magnetisering, der er rapporteret for disse systemer, er meget lav sammenlignet med de stærkeste eksisterende magneter.

"Efter min mening, " han tilføjede, "Den lyseste fremtid med hensyn til applikationer stammer fra det nye felt inden for spintronics, dvs. i forsøget på at udnytte 'spin' af den uparrede elektron til at oprette nye spin-baserede enheder. "

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.