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Jun 24, 2023

Proprietà magnetiche di N

Scientific Reports volume 6,

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 21832 (2016) Citare questo articolo

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Il grafene drogato con N con temperatura Curie superiore alla temperatura ambiente è un buon candidato per applicazioni nanomagnetiche. Qui riportiamo un tipo di grafene drogato con N che presenta proprietà ferromagnetiche con elevata temperatura di Curie (>600 K). Quattro campioni di grafene sono stati preparati attraverso la sintesi autopropagante ad alta temperatura (SHS) e il contenuto di azoto drogato nei campioni era 0 at%, 2,53 at%, 9,21 at% e 11,17 at%. È stato riscontrato che la magnetizzazione di saturazione e il campo coercitivo aumentano con l'aumento del contenuto di azoto nei campioni. Per il campione con il contenuto di azoto più elevato, le magnetizzazioni di saturazione raggiungono 0,282 emu/g a 10 K e 0,148 emu/g a 300 K; le forze coercitive raggiungono 544,2 Oe a 10 K e 168,8 Oe a 300 K. Il calo di suscettibilità magnetica a ~ 625 K per il grafene drogato con N è causato principalmente dalla decomposizione di N pirrolico e N pidinico. I nostri risultati suggeriscono che il metodo SHS è un metodo efficace e ad alto rendimento per produrre grafene drogato con N con elevata concentrazione di azoto e che il grafene drogato con N prodotto con il metodo SHS promette di essere un buon candidato per applicazioni nanomagnetiche.

Il grafene ha attirato un'enorme attenzione sin dal suo primo isolamento da parte di Novoselov e Geim nel 20041,2. È stato dimostrato che il grafene ha molte proprietà eccellenti in campi estesi come i materiali energetici, la microelettronica, i sensori e i superconduttori3,4. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno scoperto il magnetismo nel grafene o nell’ossido di grafene drogati o difettosi5,6,7, il che ha ispirato un diffuso interesse per l’origine del magnetismo, i fattori che influenzano e la potenziale applicazione di questi materiali 2D.

Il magnetismo nei nanomateriali è una disciplina scientifica all'avanguardia nei campi emergenti nel campo della nanoscienza e della nanotecnologia. Nelle attuali applicazioni tecnologiche, i materiali magnetici si basano principalmente sugli elementi d e f. Proprietà magnetiche inaspettate sono state trovate in alcuni materiali a bassa dimensionalità. La riduzione in una o più dimensioni comporta tipicamente la riduzione del numero di coordinazione degli atomi, che riduce la tendenza al salto degli elettroni8,9,10. Inoltre, si prevede che il rapporto interazione Coulomb/larghezza di banda venga migliorato, il che facilita la tendenza alla comparsa del magnetismo in materiali di dimensioni ridotte.

Gli studi sulle proprietà magnetiche del grafene hanno stabilito la possibilità di sviluppare materiali magnetici leggeri, ad alta resistenza ed elevata conduttività termica. È stato recentemente dimostrato che il grafene drogato con trasportatori ha una suscettibilità diamagnetica molto ampia11. La suscettibilità diminuisce rapidamente con l'aumento del drogaggio con i portatori di elettroni o lacune12. Chen e Oleg V. Yazyev hanno riferito che la modifica del grafene con difetti puntiformi porta all'implementazione del magnetismo basato su nanostrutture di carbonio in cui è possibile una transizione ferromagnete-antiferromagnete13,14. È stato osservato anche un piccolo segnale ferromagnetico a temperatura ambiente nel grafene idrogeno terminato preparato mediante riduzione di Birch dell'ossido di grafite con una magnetizzazione di 0,006 emu/g15. Allo stesso modo, è stata segnalata una magnetizzazione di saturazione a temperatura ambiente di 0,02 emu/g dopo la riduzione parziale dell'ossido di grafene utilizzando idrazina16. È stato riportato che i campioni costituiti da ossido di grafene ridotto hanno una magnetizzazione di 0,79 emu/g a 300 K e il valore aumenta a 1,99 emu/g mediante ulteriore ricottura a 500 °C17. È interessante scoprire che il momento ferromagnetico ad alta temperatura ambiente con elevata temperatura di Curie (>700 K) per l'ossido di grafene (GO) è ottenuto mediante una semplice attivazione chimica utilizzando acido fosforico seguita da trattamento termico, mentre la sua coercività è inferiore a 20 Oe6. Il drogaggio sostitutivo è un modo promettente per modulare le proprietà elettroniche e magnetiche del grafene12. È stato riportato che la magnetizzazione a temperatura ambiente delle pellicole di carbonio incorporato nel grafene (GSEC) dopo l'irradiazione di elettroni a bassa energia da 100 eV può arrivare fino a 0,26 emu/g18. È stato anche riportato che il grafene drogato con N può essere sintetizzato mediante ricottura sotto vuoto di un substrato a sandwich ad alta temperatura19. Du et al. hanno preparato grafene drogato con N ricottura dell'ossido di grafene ridotto in ammoniaca, che può aumentare la sua magnetizzazione a una temperatura relativamente bassa (≤600 ° C)20. Li et al. ha sottolineato che l'N pirrolico potrebbe indurre un momento magnetico netto di 0,95 μB/N, rispetto all'N piridinico che ha meno influenza sulla polarizzazione dello spin degli stati marginali21. Una via sintetica basata sulla dealogenazione stechiometrica dei precursori di arene e piridina peralogenati da parte di un metallo di transizione consente la formazione di carbonio in coordinata sp2 con domini di grafene e la possibilità di incorporare azoto soprattutto sui siti di legame pirrolico22. Per GO23 drogato con N sono state riportate una temperatura Curie di circa 100 K e una magnetizzazione di 1,66 emu/g a 2 K. Il grafene pirrolico drogato con N sintetizzato attraverso un metodo idrotermale ad alto rendimento con una concentrazione di drogaggio pari al 6,02% ha mostrato un ferromagnetismo significativo con un momento magnetico di saturazione (0,014 emu/g) e una coercività stretta (181,4 Oe)5. Di conseguenza, il magnetismo del grafene è un argomento di ricerca caldo a causa delle proprietà interessanti e dei numerosi vantaggi rispetto al ferromagnetismo convenzionale a base di metalli di transizione.