Grafiet aapt ijzer na
Geplaatst: 05 oktober, 2009
Gewoon grafiet is bij kamertemperatuur permanent licht magnetisch.
Natuurkundigen van de TU/e laten in Nature Physics als eersten zien
hoe dat komt: smalle strookjes in het materiaal blijken zich te
gedragen als een magnetisch materiaal. Dit is interessant voor
toepassingen in de nanotechnologie, zoals biosensoren voor in het
menselijk lichaam.
De elektronendichtheid op een strip van roosterfouten. De pijlen
beelden de richting van de spins uit (wijzen eigenlijk het beeld uit).
Grafiet is een materiaal dat onder andere bekend is als smeermiddel en
als basis voor potloden. Het bestaat uit atomair dunne lagen (grafeen)
die zwak met elkaar verbonden zijn en dus heel gemakkelijk over elkaar
glijden. Vandaar dat grafiet zo goed als smeermiddel werkt.
Onverwacht
Dat grafiet ferromagnetisch blijkt te zijn, is onverwacht. De
onderzoekers Jiri Cervenka en Kees Flipse (TU Eindhoven) laten samen
met Misha Katsnelson (Radboud Universiteit Nijmegen) zien hoe dit
komt. Grafiet blijkt te bestaan uit kleine gebieden van keurig
geordende koolstofatomen, die worden omzoomd door veel dunnere strips
(ca. 2 nanometer breed) van roosterfouten die het rooster onderbreken.
In deze strips (het rode/gele gebied in de linker figuur) gedragen de
elektronen zich anders dan in het keurige atoomrooster zelf (de blauwe
gebieden). Daardoor gaan ze in hun gedrag lijken op ijzer of kobalt,
materialen die ferromagnetisch zijn.
Discussie beslecht
De strips in de verschillende lagen grafiet (zie figuur rechts) zijn
magnetisch met elkaar gekoppeld en vormen zo tweedimensionale
netwerken. Hierdoor gaat het gehele stuk grafiet zich als een
permanente magneet gedragen. De onderzoekers laten met hun publicatie
ook zien dat het magnetisme van koolstof niet veroorzaakt wordt door
ferromagnetische verontreinigingen, wat door sommigen wordt beweerd.
Daarmee lijkt een tien jaar oude discussie hierover beslecht.
Koolstof in spintronica
Blijkbaar kan een materiaal met uitsluitend koolstofatomen worden
gebruikt als een zwakke magneet. Dit opent nieuwe wegen voor
spintransport in koolstofhoudende materialen. Spins kun je daarin over
grote afstanden transporteren en een spin in koolstof is al met een
heel klein magneetveld te schakelen. Beide zijn belangrijke pluspunten
voor toepassing in spintronica, die we inmiddels al vinden in
harddisks en sensoren in bijvoorbeeld autos. Ook wordt koolstof
geaccepteerd door het lichaam (denk aan Norit), dus juist ook voor
biosensoren is het magnetische gedrag van grafiet veelbelovend.
Publicatie Nature Physics
De publicatie in Nature Physics 'Room-temperature ferromagnetism in
graphite driven by 2D networks of point defects door Jiri Cervenka,
Misha Katsnelson en Kees Flipse is zondagavond 4 oktober om 19.00 uur
online verschenen. Het artikel is te vinden via DOI 10.1038/NPHYS1399.
Het onderzoek is gefinancierd door NanoNed en FOM.
Contact: dr. ir. Kees Flipse, 040 - 247 4118,
C.F.J.Flipse@remove-this.tue.nl.
Algemene vragen: wetenschapsvoorlichter Jim Heirbaut, 040 - 247 2110,
J.Heirbaut@remove-this.tue.nl.
Technische Universiteit Eindhoven