Only Perception: 物理學家移除石墨原子創造出「碳磁性」

2010-10-04

物理學家移除石墨原子創造出「碳磁性」

Physicists create carbon magnetism by removing atoms from graphite
http://www.physorg.com/news188460209.html

By Lisa Zyga, March 22, 2010

(PhysOrg.com) -- 物理學家發現，從石墨（graphite）表面移除個別原子，他們能在石墨中創造出局域磁矩（local magnetic moments）。這項發現能導致人為創造出非金屬以及生物相容性磁石的技術產生，這類磁石比目前的磁鐵更便宜與更輕盈。

這些科學家，Miguel Ugeda、Ivan Brihuega與 Jose Gomez-Rodriguez（全都來自 Autonomous University of Madrid），連同來自馬德科學研究所的 Francisco Guinea，將他們的研究發表在最近一期 Physical Review Letters 上。

"能將石墨整合到真實的電子裝置中，是奈米技術裡一項迫切的挑戰，" Brihuega 表示。"為達此目的，理解單個原子缺陷的存在如何改變其特性是種「義務」。在我們的研究中，我們利用一部位於超潔淨無塵環境中的 STM，來對付類石墨烯（graphene-like）系統中（石墨表層）如此基礎的問題。我們的主要成果是，我們在原子等級下檢查固有衝擊（intrinsic impact）的能力，每一個從表面被移除的原子都擁有系統的電磁特性。"

如同科學家的解釋，藉由移除原子，在類石墨烯材料中創造出原子空缺（atomic vacancies）對於材料的力學、電與磁性特性都有強烈的影響。在先前研究中，研究者研究原子空缺對於材料整體特性的效應。在當前研究中，科學家想要更深入探索並看看每個空缺發生了什麼事。

在他們的實驗中，物理學家利用高定向熱解石墨（highly ordered pyrolytic graphite），那由石墨烯薄片遵循 AB-AB 的次序堆疊而成。這意味著石墨烯薄片 B 對於上層的薄片 A 來說稍微偏移了些，此即在薄片 A 上的碳原子，其半邊下方剛好有個碳原子，而另一半則否。

首先，研究者在超潔淨環境中剝掉上層一些石墨烯薄片，以確保上層石墨烯薄片，換言之石墨的表面，完全純淨。他們藉由施加一低能離子輻射創造出單一空缺，所使用的能量剛好足以移開表面原子並製造出原子的點缺陷。

利用自製的低溫 STM，科學家確認在個別空缺上方出現尖銳的共振峰值。此共振峰值大約在費米能階（Fermi level），那已由許多理論性研究所預測，不過在這之前均未透過實驗觀察到。

如同科學家們的解釋，在空缺上的共振能與磁矩相關。空缺導致鄰近電子自旋由於互斥的電子--電子交互作用而排列成直線，那到致磁矩形成。此外，在不同部位的空缺誘發不同類型的磁矩，而磁矩彼此能相互影響。藉由隨機移除個別的碳原子，這些交互作用指出在整個石墨材料中誘發出巨觀之強磁性狀態的可能性。

"在一原始的（pristine）碳系統中，沒人預料到會發現磁性，因為其電子傾向藉由形成共價鍵而成對耦合，" Brihuega 解釋。成對電子的結合與淨磁矩的存在相衝突，因此電子鍵結的總自旋將為零。自石墨表面將單個碳原子移除，在此我們精準達成的事是：破壞這些共價鍵，結果我們創造出具有單個未成對電子的局部化狀態，那將產生磁矩。

總的來說，這些結果不僅證實理論模型的精確性，而且還有更深遠的牽連。例如，所觀察到的共振，也許強化了石墨烯的化學反應性。就應用而論，這些結果也許能導致創新的磁石。

"從純碳系統創造出磁性是種撩人的可能性，因為這將會是無金屬磁石，也因此最適合生物醫學中的應用，" Brihuega 說。"此外，其生產應比至今的傳統磁鐵便宜許多，給你一些數字，一噸的碳要價比一噸的鎳（磁鐵常用材料）少千倍（$16 vs. $16,000）。在石墨烯系統的例子中，可能還有彈性與明亮度的附加優勢；但是迄今，當與現有最強磁石相較，這些系統所報告的總磁化作用仍非常低。"

"依我看，" 他補充，"就應用而論，最光明的未來根源於新興的自旋電子學，換言之，為了創造出新的、基於自旋電子學的裝置，試著利用未成對電子的「自旋」。"

※ 相關報導：

＊ Missing Atom as a Source of Carbon Magnetism
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.104.096804