المغناطيسية الحديدية في الجرافين في درجة حرارة الغرفة

شهد الجرافين، وهو طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في شبكة على شكل قرص العسل، تطبيقات مهمة في مجال الإلكترونيات السبينية. يظهر الجرافين عمر دوران طويل، والذي يشير إلى المدة التي يحتفظ فيها الإلكترون بحالة دورانه، وحركة الإلكترون العالية، مما يسمح للإلكترونات بالتحرك بسرعة. هذه العوامل ضرورية للإلكترونيات السبينية، وهو مجال يستكشف استخدام دوران الإلكترون لمعالجة المعلومات.

ومع ذلك، فإن الجرافين الخام، الذي يفتقر إلى العزم المغناطيسي المحلي، هو ذو مغناطيسية ضعيفة. يشير العزم المغناطيسي المحلي، وهو جانب مهم في الإلكترونيات السبينية، إلى القوة المغناطيسية واتجاه الذرة أو الأيون. غيابه في الجرافين يعيق بشكل كبير تطبيقه في الإلكترونيات السبينية.

هناك عدة أسباب تجعل من الصعب تحقيق المغناطيسية الحديدية في الجرافين، بما في ذلك بنيته الإلكترونية الفريدة من الجرافين، مما يجعل من الصعب التعامل مع خصائصه المغناطيسية. تتميز الإلكترونات الموجودة في الجرافين بأنها متمركزة بدرجة عالية، مما يعني أنها يمكن أن تتحرك بحرية في جميع أنحاء المادة. على عكس ذرات أو أيونات المعادن الانتقالية، لا يمتلك الجرافين عزمًا مغناطيسيًا متأصلًا.

الجرافين غير مغناطيسي، لذا يلزم إجراء تعديلات محددة، بما في ذلك المغناطيسية الحديدية. تتضمن بعض الأساليب إدخال المنشطات الكيميائية لذرات النيتروجين من خلال المنشطات N لتعزيز مغنطة أكسيد الجرافين (GO). ومع ذلك، لا تزال بعض التطورات بحاجة إلى تحقيق المغناطيسية الحديدية في درجة حرارة الغرفة في المواد القائمة على الجرافين.

في هذه المقالة، سوف نتعمق في الورقة البحثية “المغناطيسية الحديدية العيانية في درجة حرارة الغرفة في أكسيد الجرافين متعدد الطبقات”، والتي تشرح كيف تساهم مجموعات الأكسجين خارج المخطط وهياكل عدم توازن الشبكة الفرعية في مغناطيسية الجرافين.

نهج لصنع الجرافين المغناطيسي

طور الباحثون طريقة جديدة لإنتاج GO غير المتبلور المغناطيسي. يتضمن ذلك إدخال مجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين وعيوب الكربون في الجرافين، مما يعدل بنيته الإلكترونية. بعد تعديل الهيكل، تخضع المادة لعملية التجميع الذاتي في ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج (SC CO₂) بيئة. شركة اس سي₂ له خصائص تسمح له باختراق بنية الجرافين. يُظهر GO غير المتبلور الذي تم تصنيعه من خلال هذه الطريقة مغناطيسية عالية التشبع ومغنطة ثابتة في درجة حرارة الغرفة.

تبدأ العملية بتكوين صفائح الجرافين النانوية، والتي يتم معالجتها بـ SC CO₂ في وجود بيروكسيد الهيدروجين (H₂يا₂). يسهل هذا التعرض إدخال المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين وعيوب الكربون، مما يؤدي إلى عدم شكل بنية الجرافين.

“بالإضافة إلى الشواغر C الراسخة والمجموعات المحتوية على الأكسجين للعزم المغناطيسي المحلي والمغناطيسية الحديدية، تشير التحقيقات التجريبية والنظرية إلى أن المجموعات المحتوية على الأكسجين خارج المستوى تربط طبقات الجرافين، مما يؤدي إلى خلل في بنية الشبكة الفرعية مع وقال تشون شو، الأستاذ في جامعة تشنغتشو في الصين ومؤلف الورقة البحثية: “لقد عززت بشكل كبير العزم المغناطيسي الصافي”.

بالإشارة إلى الشكل 1، يمكن فهم تأثير التصاق الطبقة البينية على المغناطيسية. يتم توزيع الشواغر الكربونية والمجموعات المحتوية على الأكسجين بشكل عشوائي في الطبقات دون التصاق، مما يؤدي إلى استقطاب دوراني صغير. ومع ذلك، عندما تكون هذه الطبقات مترابطة عبر جسور الأكسجين، هناك زيادة كبيرة في استقطاب الدوران. يميل الالتصاق إلى الحدوث بشكل متكرر أكثر بين ذرات الكربون في الشبكة الفرعية A(A’). ويرجع ذلك إلى صغر المسافة بين المواقع المجاورة A-A مقارنة بالمواقع B-B.

أظهرت الدراسات النظرية أن المجموعات المحتوية على الأكسجين خارج الطائرة تربط طبقات الجرافين المجاورة. وهذا يسبب عدم توازن الشبكة الفرعية ويعزز صافي اللحظات المغناطيسية. تطبيق الضغط المحلي بواسطة SC CO₂ يعد ضروريًا للتغلب على حاجز الطاقة لسد طبقات الجرافين المجاورة، مما يؤدي إلى اختلال توازن الشبكة الفرعية لذرات الكربون ويحسن الحالات المغناطيسية.

“لقد أظهرت كل من الدراسات التجريبية والنظرية أن SC CO₂ وقال الباحثون: “يلعب دورًا رئيسيًا في توليد المغناطيسية الحديدية عن طريق تقشير الجرافين، وإنتاج العيوب، وإدخال مجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين، وتسهيل التصاق طبقة الجرافين”.

توقعات الجرافين المغناطيسي

أحد الجوانب الرئيسية لهذا البحث هو أن الفريق لم يعتمد على المعادن لتحفيز المغناطيسية في الجرافين. في بعض الدراسات السابقة، قام الباحثون بدمج ذرات الكوبالت المعزولة في شبكات الجرافين بمساعدة ذرات النيتروجين المنسقة. إن هذا الجهد المبذول للتخلص من المعادن لتحفيز المغناطيسية الحديدية في درجة حرارة الغرفة يدعم مستقبلًا مستدامًا.

يعد تحقيق المغناطيسية الحديدية في الجرافين أمرًا بالغ الأهمية لأنه يتيح التحكم في دوران الإلكترون، مما يسهل تخزين المعلومات ومعالجتها. وهذا يخلق تيارات مستقطبة السبين، وهو أمر ضروري للأجهزة الإلكترونية السبينية، مثل الترانزستورات السبينية والذاكرة المغناطيسية.

يقول الباحثون إن الجرافين هو مرشح واعد للجيل القادم من الإلكترونيات السبينية نظرًا لحركته الحاملة غير العادية، وطول انتشاره الدوراني الطويل، وضعف اقترانه بمدار الدوران الجوهري، والتفاعلات المحدودة فائقة الدقة.

يمكن أن يؤدي تطوير الجرافين المغناطيسي الحديدي إلى أجهزة مغناطيسية جديدة أصغر حجمًا وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة من نظيراتها التقليدية. تحمل مثل هذه التطورات القدرة على إحداث تحول في فيزياء الإلكترونيات السبينية.

مراجع

¹تشانغ وآخرون. (فبراير 2024). “المغناطيسية الحديدية العيانية في درجة حرارة الغرفة في أكسيد الجرافين متعدد الطبقات.” أبحاث الفيزياء المتقدمة، 2300092.

²هان وآخرون. (أكتوبر 2014). “إلكترونيات الجرافين السبينية”. تكنولوجيا النانو الطبيعية، 9، الصفحات من 794 إلى 807.

³هو وآخرون. (مارس 2021). “دمج الكوبالت الذري في شبكات الجرافين لتنشيط المغناطيسية الحديدية في درجة حرارة الغرفة.” اتصالات الطبيعة، 12.

⁴Maassen, J., Ji, W., & Guo, H. (ديسمبر 2010). “إلكترونيات الجرافين السبينية: دور الأقطاب الكهربائية المغناطيسية.” رسائل النانو 11(1)، الصفحات من 151 إلى 155.

التدوينة المغناطيسية الحديدية في الجرافين في درجة حرارة الغرفة ظهرت للمرة الأولى على Power Electronics News.