Звичайний графен не є феромагнетиком, тобто його не можна намагнітити так, як залізо чи нікель. Він має дуже слабкі магнітні властивості й практично не притягується звичайним магнітом.
Магнітні властивості — це здатність речовини створювати магнітне поле або реагувати на зовнішнє магнітне поле. Залежно від характеру цієї взаємодії матеріали поділяють на:
– Феромагнетики — легко намагнічуються і можуть довго зберігати намагніченість. Приклади: залізо, кобальт, нікель.
– Парамагнетики — слабко притягуються магнітом, але після його видалення майже повністю втрачають намагніченість. Приклади: алюміній, платина.
– Діамагнетики — дуже слабко відштовхуються від магнітного поля. До них належать графіт, мідь, золото, вода та чистий графен.
– Антиферомагнетики — сусідні магнітні моменти спрямовані в протилежні боки, тому загальна намагніченість майже дорівнює нулю.
– Феримагнетики — також мають протилежно спрямовані магнітні моменти, але вони неоднакові за величиною, тому матеріал має сумарний магнетизм.
Магнітні властивості визначаються насамперед: будовою електронної оболонки атомів; наявністю неспарених електронів; взаємодією між спінами електронів; кристалічною структурою речовини. У чистому графені всі електрони майже повністю спарені, тому він не є феромагнетиком. Але якщо створити дефекти, додати домішки або скрутити два шари графену під «магічним кутом», можуть виникнути нові магнітні властивості — матеріал починає поводитися зовсім інакше, ніж звичайний графен.
Графен може набути магнітних властивостей лише за певних умов.
Основні механізми такі:
1. Дефекти кристалічної решітки
Якщо з графену видалити окремі атоми вуглецю або створити інші дефекти, виникають неспарені електрони. Їхні спіни можуть упорядковуватися, утворюючи локальні магнітні моменти.
2. Приєднання інших атомів
Коли до графену приєднують атоми водню, фтору, кисню, деяких металів, електронна структура змінюється, і можуть виникати магнітні властивості.
3. Домішки магнітних елементів
Введення атомів заліза, кобальту, нікелю або інших магнітних металів створює локальні магнітні центри. Це вже не магнетизм чистого графену, а результат впливу домішок.
4. Скручений двошаровий графен
Це один із найцікавіших напрямів сучасної фізики.
Якщо два шари графену повернути один відносно одного приблизно на 1,1° («магічний кут»), між ними виникає муаровий візерунок. Через це електрони рухаються повільніше і починають сильніше взаємодіяти між собою.
За певної концентрації електронів можуть виникати:
– феромагнетизм;
– антиферомагнетизм;
– орбітальний магнетизм;
– надпровідність.
Причому ці стани можна змінювати електричним полем, без додавання магнітних домішок.
5. Графенові нанострічки
У дуже вузьких смужках графену особливу роль відіграють краї. Якщо вони мають так звану зигзагоподібну форму, на краях можуть з’являтися локалізовані електронні стани зі впорядкованими спінами, що призводить до магнітної поведінки.
Чому це важливо?
Магнітний графен розглядають як перспективний матеріал для:
– спінтроніки;
– квантових комп’ютерів;
– надщільної пам’яті;
– магнітних сенсорів;
– енергоощадної електроніки.
Отже, чистий одношаровий графен не є магнітним матеріалом, але за допомогою дефектів, хімічної модифікації, наноструктурування або скручування кількох шарів можна створити графен із керованими магнітними властивостями. Саме тому його активно досліджують як платформу для нових квантових технологій. Джерело