(PhysOrg.com) -- Fysiker har funnit att, genom att ta bort enskilda atomer från en grafityta, de kan skapa lokala magnetiska moment i grafiten. Upptäckten kan leda till tekniker för att på konstgjord väg skapa magneter som är icke-metalliska och biokompatibla, samt billigare och lättare än nuvarande magneter.

Forskarna, Miguel Ugeda, Ivan Brihuega, och José Gómez-Rodríguez, allt från det autonoma universitetet i Madrid, tillsammans med Francisco Guinea från Institute of Materials Science i Madrid, har publicerat resultaten av sin studie i ett färskt nummer av Fysiska granskningsbrev.

"Det är en brådskande utmaning för nanotekniken att kunna integrera grafen i riktiga elektroniska enheter, ” berättade Brihuega PhysOrg.com . "För detta ändamål, det är obligatoriskt att förstå hur närvaron av enstaka atomära defekter ändrar dess egenskaper. I vårt arbete, vi använder ett skanningstunnelmikroskop i ultrarena miljöer för att ta itu med en så grundläggande fråga för ett grafenliknande system, en grafityta. Vårt huvudsakliga resultat är vår förmåga att undersöka i atomär skala den inneboende påverkan som varje enskild kolatom som tas bort från ytan har i systemets elektroniska och magnetiska egenskaper."

Som forskarna förklarar, att skapa atomära vakanser i grafenliknande material genom att ta bort atomer har en stark inverkan på det mekaniska, elektronisk, och materialens magnetiska egenskaper. I tidigare studier, forskare har undersökt effekterna av atomära vakanser på egenskaperna hos materialet som helhet. I den aktuella studien, forskarna ville undersöka djupare och se vad som händer vid varje enskild ledig tjänst.

I sina experiment, fysikerna använde högordnad pyrolytisk grafit, som består av staplade grafenark som följer AB-AB staplingssekvensen. Detta betyder att ett grafenark (B) är något förskjutet i förhållande till det övre lagret (A) på ett sådant sätt att hälften av kolatomerna i det övre arket A har en kolatom som ligger exakt under dem, medan den andra hälften inte gör det.

Först, forskarna skalade av några övre grafenark i ultrarena miljöer för att säkerställa att det översta grafenarket, dvs grafitytan, var helt fri från föroreningar. Sedan skapade de enstaka lediga platser genom att applicera lågenergijonbestrålning, använder precis tillräckligt med energi för att förskjuta ytatomerna och producera atompunktsdefekter.

Med hjälp av ett hemgjort lågtemperatur-skanningstunnelmikroskop, forskarna kunde identifiera förekomsten av en skarp resonanstopp ovanpå enskilda vakanser. Resonansen toppade runt Fermi-nivån, som har förutspåtts i många teoretiska studier men aldrig har observerats experimentellt tidigare.

Som forskarna förklarar, resonansen vid en vakans kan associeras med ett magnetiskt moment. Vakanserna gör att närliggande elektronsnurr anpassas på grund av repulsiva elektron-elektron-interaktioner, vilket leder till bildandet av de magnetiska momenten. Dessutom, vakanser på olika platser inducerar olika typer av magnetiska moment, som kan interagera med varandra. Denna interaktion pekar på möjligheten att inducera ett makroskopiskt ferromagnetiskt tillstånd i hela grafitmaterialet helt enkelt genom att ta bort slumpmässiga enskilda kolatomer.

"I ett orördt kolsystem, man skulle aldrig förvänta sig att hitta magnetism på grund av tendensen hos dess elektroner att kopplas i par genom att bilda kovalenta bindningar, ” förklarade Brihuega. "Associationen av elektroner i par går emot existensen av ett magnetiskt nettomoment, eftersom den elektroniska bindningens totala spin kommer att vara noll. Genom att ta bort en kolatom från grafitytan, vad vi gör är att bryta dessa kovalenta bindningar och som ett resultat skapar vi ett lokaliserat tillstånd med en enda oparad elektron som kommer att generera ett magnetiskt moment."

Övergripande, resultaten bekräftar inte bara exaktheten hos teoretiska modeller, men har också ytterligare konsekvenser. Till exempel, de observerade resonanserna kan förbättra grafens kemiska reaktivitet. När det gäller applikationer, resultaten kan leda till innovativa magneter.

"Att skapa en magnet från ett rent kolsystem är en lockande möjlighet eftersom detta skulle vara en metallfri magnet och därmed optimal för tillämpningar inom biomedicin, sa Brihuega. "Dessutom, det borde vara mycket billigare att tillverka än konventionella magneter eftersom, för att ge några siffror, ett ton kol kostar runt tusen gånger mindre än ett ton nickel ($16 vs. $16, 000), ett vanligt använt material i faktiska magneter. När det gäller grafensystem, man skulle också ha flexibilitet och lätthet som ytterligare fördelar; men hittills, den totala magnetiseringen som rapporterats för dessa system är mycket låg jämfört med de starkaste befintliga magneterna.

"Enligt min åsikt, " han lade till, "den ljusaste framtiden när det gäller tillämpningar härstammar från det framväxande området spintronics, d.v.s. att försöka utnyttja "snurret" hos den oparade elektronen för att skapa nya spinnbaserade enheter."

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.