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 (Ivan Brihuega) и Хосе Гомес-Родригес (Jose Gomez-Rodriguez) из Автономного университета Мадрида (Universidad Autonoma 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).
Напомним, что раньше графит (или его составляющую – слои графена) на предмет магнетизма изучали несколько иначе. Тогда физики исследовали поведение электронов на сравнительно масштабных дефектах — границах зёрен, и определяли их влияние на свойства материала в целом.
Нынешняя группа учёных решила понять, что же происходит на ещё более низком уровне. «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).
STM-топография поверхности образца площадью 17 на 17 нм (температура, при которой производились измерения, – 6 К).
Его уже облучали атомами аргона. Справа: схема пирографита (фото и иллюстрация Physical Review Letters).
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.
Спектр dI/dV (он характеризует электрические свойства поверхности на атомном уровне), измеренный как на α- (красные кружки), так и на β-вакансиях (синие кружки), а также на обычном (бездефектном) графите (чёрные кружки). Резонанс на α-вакансии выше, чем на β-вакансии, значит, и её магнитный момент будет больше.Справа: рассчитанная плотность состояний атома, расположенного наиболее близко к вакансии; красным цветом – для вакансии на α-месте, синим – на β-месте (иллюстрации Physical Review Letters).
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.
ДИАМАГНИТНАЯ ЛЕВИТАЦИЯ ПИРОЛИТИЧЕСКИЙ ГРАФИТ МАГНИТНЫЙ ПОДВЕС Diamagnetic Levitation ИГОРЬ БЕЛЕЦКИЙ
