(PhysOrg.com) -- Natuurkundigen hebben ontdekt dat, door individuele atomen van een grafietoppervlak te verwijderen, ze kunnen lokale magnetische momenten in het grafiet creëren. De ontdekking zou kunnen leiden tot technieken om kunstmatig magneten te maken die niet-metalen en biocompatibel zijn, evenals goedkoper en lichter dan de huidige magneten.

De wetenschappers, Miguel Ugeda, Ivan Brihuega, en José Gómez-Rodriguez, allemaal van de Autonome Universiteit van Madrid, samen met Francisco Guinea van het Institute of Materials Science van Madrid, hebben de resultaten van hun onderzoek gepubliceerd in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven.

"Het is een dringende uitdaging van nanotechnologie om grafeen te kunnen integreren in echte elektronische apparaten, ” vertelde Brihuega PhysOrg.com . “Hiervoor het is verplicht om te begrijpen hoe de aanwezigheid van enkele atoomdefecten de eigenschappen ervan wijzigt. In ons werk, we gebruiken een scanning tunneling-microscoop in ultraschone omgevingen om zo'n fundamentele vraag voor een grafeenachtig systeem aan te pakken, een grafiet oppervlak. Ons belangrijkste resultaat is ons vermogen om op atomaire schaal de intrinsieke impact te onderzoeken die elk afzonderlijk koolstofatoom dat van het oppervlak wordt verwijderd, heeft op de elektronische en magnetische eigenschappen van het systeem."

Zoals de wetenschappers uitleggen, het creëren van atomaire vacatures in grafeenachtige materialen door atomen te verwijderen heeft een sterke invloed op de mechanische, elektronisch, en magnetische eigenschappen van de materialen. In eerdere onderzoeken is onderzoekers hebben de effecten van atomaire vacatures op de eigenschappen van het materiaal als geheel onderzocht. In de huidige studie, de wetenschappers wilden dieper graven en zien wat er bij elke individuele vacature gebeurt.

In hun experimenten, de natuurkundigen gebruikten zeer geordend pyrolytisch grafiet, die bestaat uit gestapelde grafeenvellen die de AB-AB-stapelvolgorde volgen. Dit betekent dat één grafeenvel (B) iets verschoven is ten opzichte van de bovenste laag (A) zodanig dat de helft van de koolstofatomen van het bovenste vel A een koolstofatoom heeft dat zich precies daaronder bevindt, terwijl de andere helft dat niet doet.

Eerst, de onderzoekers pelden enkele bovenste grafeenvellen af ​​in ultraschone omgevingen om ervoor te zorgen dat het bovenste grafeenvel, d.w.z. het grafietoppervlak, was volledig vrij van onzuiverheden. Vervolgens creëerden ze enkele vacatures door laagenergetische ionenbestraling toe te passen, met net genoeg energie om de oppervlakte-atomen te verplaatsen en atoompuntdefecten te veroorzaken.

Met behulp van een zelfgemaakte lage-temperatuur scanning tunneling microscoop, de wetenschappers konden de aanwezigheid van een scherpe resonantiepiek bovenop individuele vacatures identificeren. De resonantie piekte rond het Fermi-niveau, die in veel theoretische studies is voorspeld, maar tot nu toe nog nooit experimenteel is waargenomen.

Zoals de wetenschappers uitleggen, de resonantie bij een vacature kan worden geassocieerd met een magnetisch moment. De vacatures zorgen ervoor dat nabijgelegen elektronspins uitlijnen als gevolg van afstotende elektron-elektron-interacties, wat leidt tot de vorming van de magnetische momenten. In aanvulling, vacatures op verschillende locaties veroorzaken verschillende soorten magnetische momenten, die met elkaar kunnen interageren. Deze interactie wijst op de mogelijkheid om een ​​macroscopische ferromagnetische toestand in het gehele grafietmateriaal te induceren door simpelweg willekeurige individuele koolstofatomen te verwijderen.

“In een ongerept koolstofsysteem, men zou nooit verwachten magnetisme te vinden vanwege de neiging van zijn elektronen om in paren te koppelen door covalente bindingen te vormen, ' legde Brihuega uit. “De associatie van elektronen in paren druist in tegen het bestaan ​​van een netto magnetisch moment, aangezien de totale spin van de elektronische binding nul zal zijn. Door één koolstofatoom van het grafietoppervlak te verwijderen, wat we precies doen, is deze covalente bindingen verbreken en als resultaat creëren we een gelokaliseerde toestand met een enkel ongepaard elektron dat een magnetisch moment zal genereren.

Algemeen, de resultaten bevestigen niet alleen de nauwkeurigheid van theoretische modellen, maar hebben ook verdere implicaties. Bijvoorbeeld, de waargenomen resonanties kunnen de chemische reactiviteit van grafeen versterken. Op het gebied van toepassingen, de resultaten kunnen leiden tot innovatieve magneten.

“Een magneet maken van een zuiver koolstofsysteem is een verleidelijke mogelijkheid, aangezien dit een metaalvrije magneet zou zijn en dus optimaal voor toepassingen in de biogeneeskunde, ' zei Brihuega. "In aanvulling, het zou veel goedkoper moeten zijn om te produceren dan conventionele magneten, aangezien, om wat cijfers te geven, een ton koolstof kost ongeveer duizend keer minder dan een ton nikkel ($ 16 versus $ 16, 000), een veelgebruikt materiaal in echte magneten. In het geval van grafeensystemen, men zou ook flexibiliteit en lichtheid als extra voordelen hebben; maar tot op heden de totale magnetisatie gerapporteerd voor deze systemen is erg laag in vergelijking met de sterkste bestaande magneten.

"Naar mijn mening, " hij voegde toe, “de mooiste toekomst in termen van toepassingen komt voort uit het opkomende gebied van spintronica, dat wil zeggen door te proberen de 'spin' van het ongepaarde elektron te exploiteren voor het maken van nieuwe op spin gebaseerde apparaten."

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.