Onko grafiitti magneettista?

Grafiitin on todettu olevan ei-magneettinen huoneenlämpötilassa, koska se sisältää hiiliatomeja kerroksittain.

Tästä huolimatta grafiitilla on useita mielenkiintoisia ominaisuuksia, mukaan lukien sen sähkönjohtavuus, joka muistuttaa magneettisia materiaaleja.

Grafiitti vs. Diamagnetismi

Grafiitin rakenne
Grafiitin rakenne

Materiaalit, jotka pyrkivät hylkimään ulkoista magneettikenttää, kutsutaan diamagneettisiksi. Hyökkäys tulee kentän aiheuttamasta elektronien liikkeestä materiaalin sisällä, joka muodostaa oman pienen vastakkaisen magneettikentän. Diamagnetismi ei ole vain grafiitin esillä oleva omaisuus.

grafiitti on hiilen allotrooppinen muoto, jolla on kerrosrakenne. Elektroniensa rakenteen vuoksi grafiitti käyttäytyy kuin diamagneettiset materiaalit.

Sen ainutlaatuinen kerrosrakenne ja heikko kerrosten välinen sidos vaikuttavat ratkaisevasti materiaalin yleiseen magneettiseen vasteeseen.

Diamagneettiset materiaalit
Diamagneettiset materiaalit

Grafiitin magnetismiin vaikuttavat tekijät

Kerrosten välinen kytkentä (kuusikulmainen ristikkorakenne)

Grafiitin yksittäiset grafeenikerrokset ovat hieman diamagneettisia. Ymmärrät, että magneettikentät vastustavat hieman. Kuitenkin, kuinka nämä kerrokset pinotaan, on ratkaisevaa.

Kerroksia sitovat toisiinsa heikot van der Waalsin voimat, ja niiden suhteellinen orientaatio ja etäisyys voivat vaikuttaa niiden keskinäiseen magneettiseen vuorovaikutukseen.

Epäpuhtaudet (doping ja viat)

Grafeenin elektronista rakennetta ja sen magneettisia ominaisuuksia voidaan muuttaa tuomalla siihen atomeja (dopantteja) tai luomalla rakenteellisia vikoja.

Korvaamalla yksi tai useampi hiiliatomi alkuaineilla, kuten boorilla tai typellä, järjestelmä tulee sisältämään parittomia elektroneja.

Tämä tekee siitä alttiita ferromagnetismille (jossa kaikki sen magneettiset momentit suuntautuvat yhteen suuntaan).

 Ulkoinen magneettikenttä

Osoittautuu, että jopa puhdas grafiitti, ilman lisäaineita tai vikoja, voidaan saada magneetiksi käyttämällä ulkoista magneettikenttä. Kun jokaisessa elementissä on yksi kerros, kentän kohdistus voi suunnata porakerroksia ja luoda makroskooppisen nettomagnetisoinnin.

Lämpötilan vaihtelut

Grafiitin magnetismiin vaikuttaa suuresti lämpötila. Lämpötila aiheuttaa muutoksia elektronien kineettisessä energiassa.

Samalla se muuttaa niiden liikkuvuutta, mikä johtaa magneettisten ominaisuuksien muutokseen. Lämpötilan vaikutus auttaa selittämään grafiittimagnetismin luonteen ja muuttuvuuden.

Grafiitin rakenne ja vaikutukset magnetismiin

Hunajakenno kerrokset

Grafeenikerrokset ovat kuin hunajakennoja, joissa hiiliatomit ovat tiiviissä sp2-hybridirakenteessa ja muodostavat vahvoja sidoksia jokaisen kerroksen sisällä.

Nämä sidokset tekevät grafiitista hyvän johtimen ja rajoittavat elektronien liikettä niiden suuntaa vastaan ​​kohtisuorassa olevien tasojen yli. Tämä rajoitettu liike on keskeinen tekijä, joka estää kerrosten magneettisen vuorovaikutuksen liian voimakkaasti.

Heikko sidos kerrosten välillä

Grafeenikerrokset kasautuvat päällekkäin heikkojen van der Waalsin vuorovaikutusten sitomana. Koska tasossa olevat sp2-sidokset ovat paljon vahvempia kuin nämä kerrosten väliset voimat, kerrosten välillä on hyvin vähän elektronista vuorovaikutusta.

Tämä heikko kytkentä antaa jokaisen kerroksen säilyttää perusdiamagnetisminsa, pienen vastustuskyvyn magneettikentille. Silti näiden kerrosten suhteellinen sijainti vaikuttaa niiden yleiseen magneettivasteeseen.

Pinoamisjärjestys ja magneettisuus

Tämä kerrosten välinen magneettinen vuorovaikutus riippuu kerrosten pinoamisesta grafeenipinoissa.

Kun Bernal-pinotuksen kahdessa kerroksessa on vastakkaisesti suuntautunut diamagnetismi, vaikutus on antiferromagneettinen (koko magnetointi kumoutuu).

Tanssia voidaan muokata muilla mahdollisilla pinoamiskuvioilla, mikä johtaa heikkoon ferromagnetismiin tai eksoottisiin magneettisiin ilmiöihin, jotka johtuvat pienistä muutoksista, jotka vaikuttavat elektronien siirtymiseen kerrosten välillä.

Reunaefektit ja -virheet

Lopuksi grafeenilevyjen reunat jättävät roikkuvia sidoksia, jotka tuottavat paikallisia magneettisia momentteja. Nämä voivat sitten olla vuorovaikutuksessa bulkin heikon diamagnetismin kanssa ja siten vaikuttaa yleiseen magneettiseen käyttäytymiseen.

Toisinaan voit lisätä vieraita atomeja, kuten booria tai typpeä, jotka tuovat parittomia elektroneja, jotka edistävät vahvempaa ferromagnetismia.

Grafiitin rakenne
Grafiitin rakenne

Muut hiilityypit ja niiden magneettiset ominaisuudet

Diamond

Valmistettu tetraedrisesta hilasta, joka antaa sille sen ulkonäön, tämä hämmästyttävä ominaisuus tekee siitä diamagneettisen.

Koska jokainen hiili sitoutuu tasaisesti kaikkiin neljään naapuriin, elektronit ovat parillisia, eikä nettomagneettista momenttia ole.

Kuitenkin typen epäpuhtaudet tai muut pinnan epäsäännöllisyydet voivat jättää parittomia elektroneja, mikä heikentää ferromagnetismia.

fullereenit

Kuten hyvin tunnetuissa buckyballs, nämä pallomaiset tai sylinterimäiset hiilihäkit osoittavat myös diamagnetismia.

Lisäksi niiden suljetun kuoren elektronirakenne tuottaa muutamia parittomia elektroneja. Mutta käyttämällä magneettisia atomeja dopingiin tai kiinnittämällä magneettisesti liikkuva molekyyli, ovet voidaan avata uusille nanomagneeteille.

Hiilinanoputket

Nämä yksiulotteiset ihmeet osoittavat erityyppistä magneettista käyttäytymistä kiraalisuuden ja halkaisijan vaihteluiden vaikutuksesta.

Metalliset nanoputket ovat diamagneettisia, mutta puolijohtavat voivat olla paramagneettisia, jos niiden nauharakenteessa on parittomia elektroneja.

Vikojen tai epäpuhtauksien lisääminen voi aiheuttaa ferromagnetismia tai antiferromagnetismia, mikä tekee niistä erinomaisia ​​kandidaatteja spintroniikalle.

Amorfinen hiili

Tässä epäjärjestyneessä muodossa, joka sisältää nokea ja hiiltä, ​​elektronirakenne on satunnaistettu ja siirretty; diamagnetismia on vähän tai ei ollenkaan.

Jos epäpuhtauksia tai vikoja esiintyy, se aiheuttaa paikallisia magneettisia momentteja, jotka aiheuttavat näiden materiaalien hyvin monimutkaisen käyttäytymisen.

Grafeeni

Vaikka ne ovat aivan yhtä samanlaisia ​​kuin grafiitti, itsenäisesti muodostetuilla grafeenilevyillä on epätavallinen kvanttimagnetismi.

Tämä johtuu niiden kaksiulotteisuudesta ja lisääntyneestä elektroni-elektronivuorovaikutuksesta. Tämä avaa uusia tapoja tutkia eksoottista magnetismia atomitasolla.

Yhteenveto

Tämä on vain välähdys hiilimagnetismin kiehtovaan maailmaan. Jatkuvan tutkimuksen ja tutkimisen myötä voimme löytää kiehtovia magneettisia salaisuuksia.

Lisää resursseja

Grafiitin sulamispiste – KDMfab

Päivitä evästeasetukset
Siirry alkuun