Cette image 3D, obtenu avec un microscope à effet tunnel, montre une seule lacune atomique isolée. Les scientifiques ont identifié la présence d'un pic de résonance aigu au-dessus des lacunes individuelles, qui peut être associé à un moment magnétique. Crédit image :M. M. Ugeda, et al. ©2010 APS.
(PhysOrg.com) -- Les physiciens ont découvert que, en éliminant des atomes individuels d'une surface de graphite, ils peuvent créer des moments magnétiques locaux dans le graphite. La découverte pourrait conduire à des techniques pour créer artificiellement des aimants non métalliques et biocompatibles, ainsi que moins cher et plus léger que les aimants actuels.
Les scientifiques, Miguel Ugeda, Ivan Brihuega, et José Gómez-Rodriguez, tous de l'Université Autonome de Madrid, avec Francisco Guinée de l'Institut des sciences des matériaux de Madrid, ont publié les résultats de leur étude dans un récent numéro de Lettres d'examen physique.
« C'est un défi urgent de la nanotechnologie de pouvoir intégrer le graphène dans de vrais appareils électroniques, " a déclaré Brihuega PhysOrg.com . "À cette fin, il est indispensable de comprendre comment la présence de défauts atomiques uniques modifie ses propriétés. Dans notre travail, nous utilisons un microscope à effet tunnel dans des environnements ultra-propres pour répondre à une question aussi fondamentale pour un système de type graphène, une surface en graphite. Notre principal résultat est notre capacité à examiner à l'échelle atomique l'impact intrinsèque que chaque atome de carbone retiré de la surface a sur les propriétés électroniques et magnétiques du système.
Comme l'expliquent les scientifiques, créer des lacunes atomiques dans des matériaux de type graphène en éliminant des atomes a un fort impact sur la mécanique, électronique, et les propriétés magnétiques des matériaux. Dans les études précédentes, les chercheurs ont étudié les effets des lacunes atomiques sur les propriétés du matériau dans son ensemble. Dans l'étude actuelle, les scientifiques voulaient approfondir et voir ce qui se passe à chaque poste vacant.
Dans leurs expériences, les physiciens ont utilisé du graphite pyrolytique hautement ordonné, qui se compose de feuilles de graphène empilées qui suivent la séquence d'empilement AB-AB. Cela signifie qu'une feuille de graphène (B) est légèrement décalée par rapport à la couche supérieure (A) de telle sorte que la moitié des atomes de carbone de la feuille supérieure A ont un atome de carbone situé exactement en dessous d'eux, tandis que l'autre moitié ne le fait pas.
D'abord, les chercheurs ont décollé certaines feuilles de graphène supérieures dans des environnements ultra-propres afin de s'assurer que la feuille de graphène supérieure, c'est-à-dire la surface en graphite, était complètement exempt d'impuretés. Ensuite, ils ont créé des lacunes uniques en appliquant une irradiation ionique à basse énergie, en utilisant juste assez d'énergie pour déplacer les atomes de surface et produire des défauts ponctuels atomiques.
À l'aide d'un microscope à effet tunnel à basse température fait maison, les scientifiques ont pu identifier la présence d'un pic de résonance aigu au-dessus des lacunes individuelles. La résonance a culminé autour du niveau de Fermi, ce qui a été prédit dans de nombreuses études théoriques mais n'a jamais été observé expérimentalement auparavant.
Comme l'expliquent les scientifiques, la résonance à une lacune peut être associée à un moment magnétique. Les lacunes provoquent l'alignement des spins des électrons à proximité en raison d'interactions répulsives électron-électron, ce qui conduit à la formation des moments magnétiques. En outre, les lacunes à différents sites induisent différents types de moments magnétiques, qui peuvent interagir entre eux. Cette interaction indique la possibilité d'induire un état ferromagnétique macroscopique dans l'ensemble du matériau graphite simplement en éliminant des atomes de carbone individuels aléatoires.
« Dans un système de carbone vierge, on ne s'attendrait jamais à trouver du magnétisme en raison de la tendance de ses électrons à se coupler par paires en formant des liaisons covalentes, », a expliqué Brihuega. "L'association d'électrons par paires va à l'encontre de l'existence d'un moment magnétique net, puisque le spin total de la liaison électronique sera nul. En retirant un atome de carbone de la surface du graphite, ce que nous faisons précisément, c'est rompre ces liaisons covalentes et, par conséquent, nous créons un état localisé avec un seul électron non apparié qui générera un moment magnétique.
Globalement, les résultats confirment non seulement l'exactitude des modèles théoriques, mais ont aussi d'autres implications. Par exemple, les résonances observées peuvent améliorer la réactivité chimique du graphène. Au niveau des candidatures, les résultats pourraient conduire à des aimants innovants.
« Créer un aimant à partir d'un système de carbone pur est une possibilité alléchante car ce serait un aimant sans métal et donc optimal pour les applications en biomédecine, », a déclaré Brihuega. "En outre, il devrait être beaucoup moins cher à produire que les aimants conventionnels car, donner quelques chiffres, une tonne de carbone coûte environ mille fois moins qu'une tonne de nickel (16 $ contre 16 $, 000), un matériau couramment utilisé dans les aimants réels. Dans le cas des systèmes au graphène, on aurait aussi la flexibilité et la légèreté comme avantages supplémentaires; mais à ce jour, la magnétisation totale signalée pour ces systèmes est très faible par rapport aux aimants existants les plus puissants.
"À mon avis, " il ajouta, « l'avenir le plus prometteur en termes d'applications réside dans le domaine émergent de la spintronique, c'est-à-dire en essayant d'exploiter le « spin » de l'électron non apparié pour créer de nouveaux dispositifs basés sur le spin. »
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