خواص مغناطیسی گرافن چگونه است؟ - ایران گرافن

در این بخش در مورد خواص مغناطیسی گرافن بحث خواهیم کرد؛ گرافن یکی از مواد جذاب در زمینه خواص مغناطیسی است. اجازه بدهید تا به شما بگویم که چرا گرافن در این زمینه بسیار جالب است.

مواد مغناطیسی برای صنعت مدرن ضروری هستند. تقریباً تمام مواد مغناطیسی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند شامل عناصر فلزات انتقالی 3d یا 4f مانند Fe، Co و Ni بوده و معمولاً در دمای اتاق فرومغناطیس هستند. ترتیب مغناطیسی از باندهای الکترونی d یا f تا حدی پر حاصل می شود. توسعه آهنرباهای غیر درگیر فلزات واسطه یک علاقه دیرینه است زیرا کنترل اسپین الکترون های s یا p تا حد زیادی مرز تحقیقاتی مغناطیس را گسترش می دهد.

به ویژه، مواد مبتنی بر کربن بسیار مورد توجه هستند، زیرا ساختار آنها به طور کلی پایدار، ساده، همه کاره و به راحتی قابل اصلاح هستند، که منجر به پیش‌بینی مغناطیس نظری آسان‌تر و احتمال بیشتر القای اسپین می‌شود. مهمتر از همه، همزیستی پیوند π- و σ در گرافن آنقدر منحصر به فرد است که امکان ایجاد همزمان اسپین های موضعی و جفت شدن این اسپین ها را هنگام اصلاح این پیوندها در حالت های خاص، یعنی ظاهر شدن نظم مغناطیسی، فراهم می کند.

در واقع، مطالعات قبلی مغناطیس گرافیت، نانولوله کربنی و فولرن را می توان با گرافن دسته بندی کرد زیرا بلوک اصلی همه، اشکال گرافیتی است. به طور خلاصه، مواد مبتنی بر گرافن به عنوان یک آهنربای مبتنی بر الکترون s یا p امیدوارکننده در نظر گرفته می‌شوند.

در سال‌های اخیر، تقاضای آهن‌رباهای سبک وزن برای باز کردن راه‌های جدیدی برای طراحی سیستم‌های ذخیره‌سازی اطلاعات پوشیدنی، سازگار، و انعطاف‌پذیر، اهمیت گرافن مغناطیسی را بیشتر برجسته می‌کند. علاوه بر این، کاربرد بسیار بالقوه آهن‌رباهای مبتنی بر گرافن در اسپین‌ترونیک امیدوارکننده است، زیرا گرافن تحرک حامل فوق‌العاده‌ای دارد و ممکن است راهی آسان برای ادغام اسپین و الکترونیک مولکولی ارائه کند.

طول‌های انتشار اسپین طولانی و زمان‌های منسجم ناشی از مدار اسپین ضعیف و برهمکنش‌های فوق‌ریز در گرافن می‌تواند شرایط ایده‌آلی را برای دستکاری اسپین منسجم فراهم کند که می‌تواند به عنوان دستگاه‌های اسپینترونیک نسل بعدی عمل کند. با این حال گرافن ایده آل ذاتاً غیر مغناطیسی است و به دلیل یک شبکه پیوندی غیرمحلی شده π که کاربرد آن را در دستگاه های اسپینترونیک محدود می کند، فاقد گشتاورهای مغناطیسی موضعی است. بنابراین توسعه روش‌های موثر برای سنتز گرافن مغناطیسی ضروری و از اهمیت بالایی برخوردار است.

تمام تلاش‌ها برای مغناطیسی کردن گرافن برای شکستن پیوندهای متقارن برای آزاد کردن الکترون‌های جفت نشده و تولید اسپین خالص انجام می‌شود. هنگامی که اسپین‌های دوره‌ای روی صفحه گرافن به اندازه‌ای نزدیک هستند که بتوانند با یکدیگر برهمکنش کنند، خوشه مغناطیسی یا نظم مغناطیسی به وجود می‌آید.

در دهه گذشته، چنین پیش‌بینی‌های نظری با دو نتیجه تجربی متقاعدکننده تأیید شده‌اند: (1) وارد کردن عیوب نقطه‌ای بدون شک و به طور مؤثر می‌تواند باعث القای گشتاورهای مغناطیسی در گرافن شود، و (2) اسپین های توزیع شده در مکان های مختلف در صفحه پایه گرافن می توانند به صورت (ضد) فرومغناطیسی جفت شوند و خوشه های اسپینی را تشکیل دهند. اگرچه کنترل دقیق توزیع چرخش‌های فراوان در خواص مغناطیسی گرافن هنوز به شدت چالش برانگیز است، کاربرد اسپین‌ترونیک مواد مبتنی بر گرافن امیدوارکننده است.

روش هایی که برای القای خواص مغناطیسی گرافن مورد استفاده قرار می گیرند شامل موارد زیر می باشند:

• دوپینگ جایگزین:

وارد کردن اتم های ناخالص مغناطیسی به شبکه گرافن می تواند منجر به ایجاد گشتاورهای مغناطیسی موضعی و ایجاد خواص مغناطیسی گرافن شود. به عنوان مثال، جایگزینی اتم های کربن با اتم های فلزات واسطه مانند آهن (Fe)، کبالت (Co) یا نیکل (Ni) می تواند باعث القای خواص مغناطیسی گرافن شود. وجود این ناخالصی های مغناطیسی حالت های قطبی اسپین ایجاد می کند و می تواند منجر به نظم مغناطیسی در گرافن شود.

• عامل دار کردن لبه:

اصلاح لبه های نانو روبان های گرافن یا تکه های گرافن با گروه های عاملی مغناطیسی نیز می تواند باعث القای مغناطیس شود. این گروه های عاملی می توانند مولکول ها یا اتم هایی با الکترون های جفت نشده، مانند رادیکال های آلی یا اتم های فلزات واسطه باشند. چرخش های موضعی در لبه ها می توانند برهم کنش داشته باشند و خواص مغناطیسی ایجاد کنند.

• هتروساختارهای گرافن:

ترکیب گرافن با مواد مغناطیسی دیگر در یک ساختار ناهمگن می تواند باعث القا و ایجاد خواص مغناطیسی گرافن شود. به عنوان مثال، گرافن را می توان با یک ماده فرومغناطیسی مانند لایه نازک از فلز مغناطیسی یا یک عایق مغناطیسی انباشته کرد. اثر مجاورت بین گرافن و ماده مغناطیسی را به گرافن منتقل می کند.

• میدان مغناطیسی خارجی:

اعمال میدان مغناطیسی خارجی عمود بر ورق گرافن نیز می تواند باعث القای مغناطیس شود. اثر زیمن باعث می شود که سطوح انرژی الکترون ها با اسپین های مختلف شکافته شوند که منجر به یک گشتاور مغناطیسی خالص و ایجاد خواص مغناطیسی گرافن می شود.

• تزریق اسپین:

با تزریق حامل های پلاریزه اسپین به گرافن، القای مغناطیسی امکان پذیر است. این را می توان با استفاده از یک الکترود فرومغناطیسی برای تزریق الکترون های قطبی شده اسپین به گرافن به دست آورد، که می تواند اسپین های الکترون های گرافن را تراز کرده و مغناطیس القا کند.

• عیوب خالی:

با حذف اتم های کربن نقص هایی در شبکه گرافن ایجاد می شود. این جاهای خالی می تواند منجر به گشتاور مغناطیسی موضعی شود. وجود این عیوب درجه ای از مغناطیس را در گرافن ایجاد می کند.

• جذب مولکول:

مولکول های خاصی حاوی عناصر مغناطیسی را روی سطح گرافن جذب می شود. به عنوان مثال می توان به مولکول هایی با مراکز فلزی مغناطیسی، مانند مولکول های آلی با فلزات واسطه مانند آهن یا کبالت اشاره کرد. برهمکنش بین مولکول های جذب شده و گرافن می تواند منجر به رفتار مغناطیسی شود.

البته فعلا دستیابی به خواص مغناطیسی قوی و قابل کنترل در گرافن هنوز یک حوزه فعال تحقیقاتی است. روش های ذکر شده در بالا ممکن است نیاز به کنترل دقیق و بهینه سازی برای به دست آوردن خواص مغناطیسی مورد نظر داشته باشند.

خواص مغناطیسی برای اهداف وسیعی از کاربردها به گرافن القا می شود. برخی از کاربردهایی که خواص مغناطیسی گرافن می تواند داشته باشد عبارت است از:

1. اسپینترونیک:

اسپینترونیکس یک میدان نوظهور است که هدف آن استفاده از اسپین الکترون ها علاوه بر بار آن ها برای پردازش و ذخیره سازی اطلاعات است. ویژگی های الکترونیکی منحصر به فرد گرافن، همراه با پتانسیل آن برای دستکاری اسپین، آن را به ماده ای امیدوار کننده برای دستگاه های اسپینترونیک تبدیل می کند. با معرفی ناخالصی های مغناطیس یا ایجاد ساختارهای گرافن با خواص مغناطیسی خاص، محققان می توانند از قابلت های انتقال اسپین گرافن برای دستگاه های الکترونیکی مبتنی بر اسپین آینده استفاده کنند.

• حسگرهای مغناطیسی:

رسانایی الکتریکی استثنایی گرافن و حساسیت به میدان های مغناطیسی آن را به یک کاندید عالی برای سنسورهای مغناطیسی تبدیل کرده است. با ادغام گرافن در دستگاه های حسگر، تشخیص و اندازه گیری میدان های مغناطیسی با دقت بالا امکان پذیر می شود. این کاربردهای بالقوه ای در زمینه هایی مانند سنجش زیست پزشکی، آزمایش های غیر مخرب و نظارت بر محیط زیست دارد.

• رسانه ذخیره سازی مغناطیسی:

نسبت سطح به حجم بالا و خواص مکانیکی عالی گرافن، آن را به یک کاندید جذاب برای رسانه های ذخیره سازی مغناطیسی، مانند هارد دیسک یا نوارهای مغناطیسی تبدیل کرده است. هدف محققان با ترکیب عناصر مغناطیسی در گرافن یا استفاده از کامپوزیت ها مبتنی بر گرافن، توسعه دستگاه های ذخیره سازی با تراکم ذخیره سازی داده ها و سرعت خواندن/نوشتن سریع تر است.

• نانو ذرات مغناطیسی:

گرافن می تواند به عنوان بستری برای سنتز و عامل دار کردن نانو ذرات مغناطیسی عمل کند. با اتصال نانو ذرات مغناطیسی به سطح گرافن، محققان می توانند مواد کامپوزیتی با خواص مغناطیسی پیشرفته ایجاد کنند. این کامپوزیت های مغناطیسی مبتنی بر گرافن کاربردهای بالقوه ای در دارورسانی هدفمند، هایپرترمی مغناطیسی برای درمان سرطان و تکنیک های جداسازی مغناطیسی دارند.

تصویر برداری رزونانس مغناطیسی (MRI):

ترکیب منحصر به فرد این محصول از رسانایی الکتریکی بالا، مساحت سطح بالا ، زیست سازگاری و خواص مغناطیسی گرافن آن را به ماده ای جالب برای بهبود عوامل کنتراست MRI تبدیل می کند. هدف پژوهشگران با فعال سازی گرافن با نانوذرات مغناطیسی یا سایر مواد تقویت کننده کنتراست، تولید عوامل تصویر برداری MRI حساس تر و کارآمدتر برای تشخیص های پزشکی است.

توجه به این نکته مهم است که در حالی که خواص مغناطیسی گرافن پتانسیل بالایی دارد، تحقیقات و توسعه بیشتری برای درک کامل استفاده ار این خواص برای کاربردهای عملی هنوز مورد نیاز است. دانشمندان و مهندسان به طور فعال در حال کاوش و فشار بر مرزهای خواص مغناطیسی گرافن برای باز کردن پیشرفت های فناوری جدید در زمینه های مختلف هستند.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780081021545000059

https://www.nature.com/articles/s41598-020-78262-w