西班牙科學(xué)家利用原子空位使石墨產(chǎn)生磁性

 西班牙物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過移除石墨材料表面的單個原子，原子空位，可使石墨中產(chǎn)生局部磁矩。這一研究成果有助于開發(fā)利用非金屬材料和生物兼容性材料來磁體的新方法，而且可比現(xiàn)有磁體更輕、價格更低廉。
 
      該研究由馬德里自治大學(xué)和馬德里材料科學(xué)研究所的科研小組共同完成，相關(guān)論文發(fā)表在近期出版的《物理學(xué)評論快報》上。實驗中，研究人員使用了高序熱解石墨，這種材料是由石墨烯層按照AB-AB的模式疊加而成。他們首先在超潔凈環(huán)境中將部分A層石墨烯削去，以確保石墨的表面*不含雜質(zhì);然后再利用低能離子輻射，使表面的原子位移，出一個個原子空位。
 
      通過自制的低溫掃描隧道顯微鏡，研究小組發(fā)現(xiàn)，每個原子空位的頂端都出現(xiàn)了大約為費米能級的銳共振高峰，很多理論研究都預(yù)測過這種現(xiàn)象，但這是通過實驗觀測到。
 
      研究人員解釋說，每個原子空位的共振都會對應(yīng)一個磁矩，這是因為，電子和電子之間存在相斥作用，原子空位導(dǎo)致其周圍的電子自旋排列成行，從而形成磁矩。而且，不同地點的空位產(chǎn)生不同的磁矩，磁矩彼此之間也有相互作用，這樣一來，只需將單個碳原子隨意移除，就能使整個石墨材料具有肉眼可見的磁性。
 
      參與此項研究的伊凡•布里休加說，普通的碳元素組成的材料通常不會出現(xiàn)磁力，這是由于其中的電子通過共價鍵結(jié)合成對，電子的總自旋為零，因而凈磁矩不可能存在。一旦從石墨的表面移除一個碳原子，通過共價鍵結(jié)合的電子對會被打破，單個電子就產(chǎn)生了局部磁矩。
 
      這一結(jié)果不僅證實了理論模型的準(zhǔn)確性，還具有諸多深層意義。比如，觀察到的共振現(xiàn)象可能會增強石墨的化學(xué)反應(yīng)能力;在應(yīng)用方面，該技術(shù)可能用于革新性的非金屬材料磁體，在電子領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域擁有良好前景。此外，同傳統(tǒng)磁體相比，石墨磁體的成本低廉，噸碳的價格大約不到噸鎳的價格的千分之一，而且石墨磁體還具有重量輕、彈性好等優(yōu)勢。不過，到目前為止，所報告的石墨磁體的磁力與現(xiàn)有zui強的磁體相比還有不小的差距。
 
      布里休加表示，通過將類似于石墨烯的材料中的原子移除來原子空位，會對材料的機械性能、電子性能和磁性能產(chǎn)生重大影響，而當(dāng)前納米技術(shù)面臨的一個緊迫挑戰(zhàn)就是如何將石墨整合到真正的電子設(shè)備中，這項實驗成果zui光明的未來就是應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)電子學(xué)研究，即通過不成對的電子的自旋來開發(fā)新一代電子設(shè)備。