17 feb. 1999
2 minuten
Natuurkundigen van de Stichting FOM, de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) en de Radboud Universiteit Nijmegen laten als eersten zien waarom gewoon grafiet bij kamertemperatuur permanent magnetisch is. De resultaten beloven nieuwe toepassingen in de nanotechnologie, zoals sensoren en detectoren. Daarnaast is grafiet ook interessant voor gebruik in biosensoren in het menselijk lichaam. De resultaten verschenen zondag 4 oktober online in het gerenommeerde tijdschrift Nature Physics.
Grafiet is een materiaal dat onder andere bekend is als smeermiddel en als basis voor potloden. Het bestaat uit atomair dunne lagen (grafeen) die zwak met elkaar verbonden zijn en dus heel gemakkelijk over elkaar glijden. Vandaar dat grafiet zo goed als smeermiddel werkt.
Onverwacht
Dat grafiet ferromagnetisch blijkt te zijn, is onverwacht. De onderzoekers, FOM-werkgroepleider Misha Katsnelson (Radboud Universiteit Nijmegen), Jiri Cervenka en Kees Flipse (TU Eindhoven) laten nu zien hoe dit komt. Grafiet blijkt te bestaan uit kleine gebieden van keurig geordende koolstofatomen, die worden omzoomd door veel dunnere strips (ca. 2 nanometer breed) van roosterfouten die het rooster onderbreken. In deze strips (het rode/gele gebied in de linker figuur) gedragen de elektronen zich anders dan in het keurige atoomrooster zelf (de blauwe gebieden). Daardoor gaan ze in hun gedrag lijken op ijzer of kobalt, materialen die ferromagnetisch zijn.
Discussie beslecht
De strips in de verschillende lagen grafiet (zie figuur rechts) zijn magnetisch met elkaar gekoppeld en vormen zo tweedimensionale netwerken. Hierdoor gaat het gehele stuk grafiet zich als een permanente magneet gedragen. De onderzoekers laten met hun publicatie ook zien dat het magnetisme van koolstof niet veroorzaakt wordt door ferromagnetische verontreinigingen, wat door sommigen wordt beweerd. Daarmee lijkt een tien jaar oude discussie hierover beslecht.
Koolstof in spintronica
Blijkbaar kan een materiaal met uitsluitend koolstofatomen worden gebruikt als een zwakke magneet. Dit opent nieuwe wegen voor spintransport in koolstofhoudende materialen. Spins kun je daarin over grote afstanden transporteren en een spin in koolstof is al met een heel klein magneetveld te schakelen. Beide zijn belangrijke pluspunten voor toepassing in spintronica, die we inmiddels al vinden in harddisks en sensoren in bijvoorbeeld auto’s. Ook wordt koolstof geaccepteerd door het lichaam (denk aan Norit), dus juist ook voor biosensoren is het magnetische gedrag van grafiet veelbelovend.
Dit onderzoek is gefinancierd door NanoNed en FOM.
Referentie
De publicatie in Nature Physics ‘Room-temperature ferromagnetism in graphite driven by 2D networks of point defects‘ door Jiri Cervenka, Misha Katsnelson en Kees Flipse staat vanaf 4 oktober online, te vinden via DOI 10.1038/NPHYS1399
Anderen lazen ook
