25.03.2010

Вышибленные атомы превратили графит в магнетик

Учёным очень нравится идея создания биосовместимых и к тому же дешёвых магнитов на основе графита. В связи с этим они охотно исследуют свойства этого материала. На этот раз группе испанских физиков удалось получить и изучить магнетизм в графите на уровне отдельных атомов углерода.

Исследование провели Мигель Ухеда (Miguel Ugeda), Иван Бриуэга (Iván Brihuega) и Хосе Гомес-Родригес (José Gómez-Rodríguez) из Автономного университета Мадрида (Universidad Autónoma de Madrid) совместно с Франсиско Гинеа (Francisco Guinea) из Института материаловедения Мадрида (Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid). О результатах учёные рассказали в журнале Physical Review Letters (препринт статьи также можно найти здесь).

"Если бы мы научились внедрять графен в настоящие электронные устройства, это было бы настоящим прорывом в области нанотехнологий. Но для этого сначала надо выяснить, как влияют на механические, электронные и магнитные свойства материала отдельные атомные дефекты", — рассказывает Бриуэга.

Испанцы провели эксперимент с высокоупорядоченным пиролитическим графитом (highly ordered pyrolytic graphite), состоящим из чередующихся графеновых листов (A и B). Каждый B-лист (лежащий ниже) в нём немного сдвинут относительно A-листа так, чтобы половина углеродных атомов последнего имела под собой атомы из B-листа (так называемое α-место), а вторая половина – нет (β-место).

Сначала физики в ультрачистой камере сняли с поверхности графита несколько верхних слоёв графена. Таким образом они избавились от всех примесей, которые могли бы повлиять на результаты измерений. Точечные дефекты в атомной решётке (единичные вакансии углеродных атомов) были созданы при помощи низкоэнергетического облучения образцов ионами Ar⁺, за ним последовал отжиг при 650 °C.

Низкотемпературная сканирующая туннельная микроскопия (STM) показала, что над каждой вакансией присутствует острый резонансный пик. Пики по форме соответствовали предсказанным теорией (кстати, экспериментально их наблюдают впервые).

Резонанс, "сидящий" на вакансии, учёные связывают с появлением магнитного момента. Дефекты заставляют спины близлежащих электронов выстраиваться с учётом электрон-электронных взаимодействий. При этом разные вакансии образуют различные магнитные моменты, которые могут взаимодействовать друг с другом.

Испанцы полагают, что существует возможность заставить весь материал на макроскопическом уровне обзавестись ферромагнитными свойствами. Для этого вполне может быть достаточно избавиться от единичных атомов углерода в решётке графита.

"В обычном углеродном материале никакого магнетизма быть не может, так как его электроны образуют пары при формировании ковалентных связей. Такие электроны не могут создать магнитные моменты, так как их противоположные спины компенсируют друг друга", — рассказывает Бриуэга. В то же время удаление одного из атомов углерода (это и проделали физики в нынешней работе) приводит к разрыву связи, образованию неспаренного электрона и возникновению магнитного момента.

Результаты работы свидетельствуют не просто о соответствии теории практике, но и о том, что графен может когда-либо действительно найти применение в качестве необычного магнетика. Кроме того, наличие резонанса может привести к повышению химической активности углеродного материала.

"Магнит на основе углерода был бы идеальной заменой обычным металлическим магнитам, он мог бы быть использован в биомедицинских устройствах", — говорит Иван. При этом производство графеновых магнитов обходилось бы дешевле, хотя бы потому, что исходное сырьё стоит в тысячу раз дешевле того же никеля, например.

Дополнительными преимуществами могут стать гибкость и низкий вес таких магнитов. Правда, пока их главная характеристика – намагниченность – оставляет желать лучшего, графену очень далеко до самых сильных магнитных материалов. Бриуэга также мечтает о применении модифицированного графена в спинтронике.

Источники:

1. MEMBRANA