Новости

Jun 24, 2023

Магнитные свойства N

Научные отчеты, том 6,

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 21832 (2016) Цитировать эту статью

5135 Доступов

71 цитат

Подробности о метриках

Легированный N графен с температурой Кюри выше комнатной является хорошим кандидатом для наномагнитных применений. Здесь мы сообщаем о разновидности графена, легированного N, который проявляет ферромагнитные свойства с высокой температурой Кюри (> 600 К). Четыре образца графена были приготовлены методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), содержание легированного азота в образцах составило 0 ат.%, 2,53 ат.%, 9,21 ат.% и 11,17 ат.%. Установлено, что намагниченность насыщения и коэрцитивное поле увеличиваются с увеличением содержания азота в образцах. Для образца с наибольшим содержанием азота намагниченности насыщения достигают 0,282 эме/г при 10 К и 0,148 эме/г при 300 К; коэрцитивные силы достигают 544,2 Э при 10 К и 168,8 Э при 300 К. Падение магнитной восприимчивости при ~625 К для графена, легированного N, в основном обусловлено распадом пиррольного N и пидинового N. Наши результаты позволяют предположить, что метод СВС является эффективный и высокопроизводительный метод производства графена, легированного N, с высокой концентрацией азота, а также то, что графен, легированный N, полученный методом СВС, обещает стать хорошим кандидатом для наномагнитных приложений.

Графен привлек огромное внимание с момента его первого выделения Новоселовым и Геймом в 2004 году1,2. Было показано, что графен обладает множеством превосходных свойств в обширных областях, таких как энергетические материалы, микроэлектроника, сенсоры и ожидаемые сверхпроводники3,4. В последние годы исследователи обнаружили магнетизм в легированном или дефектном графене или оксиде графена5,6,7, что вызвало широкий интерес к происхождению магнетизма, влияющим на него факторам и перспективному применению этих 2D-материалов.

Магнетизм в наноматериалах — научная дисциплина, находящаяся в авангарде быстро развивающихся областей нанонауки и нанотехнологий. В современных технологических приложениях магнитные материалы в основном основаны на элементах d и f. Неожиданные магнитные свойства были обнаружены у некоторых низкоразмерных материалов. Сокращение в одном или нескольких измерениях обычно приводит к уменьшению координационного числа атомов, что снижает склонность электронов к прыжкам8,9,10. Кроме того, ожидается увеличение отношения кулоновского взаимодействия к полосе пропускания, что способствует тенденции к появлению магнетизма в материалах уменьшенных размеров.

Исследования магнитных свойств графена установили возможности разработки магнитных материалов с легким весом, высокой прочностью и высокой теплопроводностью. Недавно было показано, что графен, легированный носителями, обладает очень большой диамагнитной восприимчивостью11. Восприимчивость быстро уменьшается с увеличением легирования носителями электронов или дырок12. Чен и Олег В. Языев сообщили, что модификация графена точечными дефектами приводит к реализации магнетизма на основе углеродных наноструктур, в которых возможен переход ферромагнетик-антиферромагнетик13,14. Небольшой ферромагнитный сигнал при комнатной температуре в графене с концевыми водородными группами, полученном восстановлением оксида графита по Берчу, также наблюдался с намагниченностью 0,006 эме/г15. Аналогичным образом, после частичного восстановления оксида графена с помощью гидразина16 сообщалось о намагниченности насыщения при комнатной температуре 0,02 эму/г. Сообщалось, что образцы, состоящие из восстановленного оксида графена, имеют намагниченность 0,79 эме/г при 300 К, а при дальнейшем отжиге при 500 °C17 это значение увеличивается до 1,99 эме/г. Интересно обнаружить, что ферромагнитный момент при комнатной температуре и высокой температуре Кюри (>700 К) для оксида графена (ГО) получается простой химической активацией фосфорной кислотой с последующей термообработкой, при этом его коэрцитивность составляет менее 20 Э6. Замещающее легирование является перспективным способом модуляции электронных и магнитных свойств графена12. Сообщалось, что намагниченность пленок углерода со встроенным графеном (GSEC) при комнатной температуре после облучения низкоэнергетическими электронами с энергией 100 эВ может достигать 0,26 эме/г18. Также сообщалось, что графен, легированный N, можно синтезировать путем вакуумного отжига многослойной подложки при высокой температуре19. Ду и др. получили графен, легированный N, путем отжига восстановленного оксида графена в аммиаке, что позволяет увеличить его намагниченность при относительно низкой температуре (<600 °C)20. Ли и др. отметил, что пиррольный N может индуцировать суммарный магнитный момент 0,95 мкБ/Н по сравнению с пиридиновым N, который оказывает меньшее влияние на спиновую поляризацию краевых состояний21. Синтетический путь, основанный на стехиометрическом дегалогенировании пергалогенированных предшественников арена и пиридина переходным металлом, позволяет образовывать sp2-координатный углерод с графеновыми доменами и возможность включения азота, особенно в местах пиррольной связи22. Сообщалось о температуре Кюри около 100 К и намагниченности 1,66 эме/г при 2 К для легированного N GO23. Пиррольный графен, легированный N, синтезированный высокопроизводительным гидротермальным методом с концентрацией легирования 6,02 ат.%, обладал значительным ферромагнетизмом с магнитным моментом насыщения (0,014 эме/г) и узкой коэрцитивной силой (181,4 Э)5. Следовательно, магнетизм графена является горячей темой исследований из-за интересных свойств и ряда преимуществ по сравнению с обычным ферромагнетизмом на основе переходных металлов.