آیا گرافیت مغناطیسی است؟

ثابت شده است که گرافیت در دمای اتاق غیر مغناطیسی است زیرا حاوی اتم های کربن است که در لایه ها چیده شده اند.

با وجود این، گرافیت دارای خواص جالب مختلفی است، از جمله رسانایی الکتریکی آن، شبیه به مواد مغناطیسی.

گرافیت در مقابل دیامغناطیس

ساختار برای گرافیت
ساختار برای گرافیت

موادی که تمایل به دفع میدان مغناطیسی خارجی دارند، دیامغناطیس نامیده می شوند. دافعه از حرکت الکترون ها در داخل ماده ناشی از یک میدان است که میدان مغناطیسی کوچک متضاد خود را فرموله می کند. دیامغناطیس خاصیتی نیست که فقط توسط گرافیت به نمایش گذاشته شود.

گرافیت شکل آلوتروپیک کربن با ساختار لایه ای است. به دلیل ساختار الکترون هایش، گرافیت مانند مواد دیامغناطیس رفتار می کند.

ساختار لایه ای منحصر به فرد و پیوند بین لایه ای ضعیف آن نقش مهمی در تأثیرگذاری بر پاسخ مغناطیسی کلی مواد دارد.

مواد دیامغناطیس
مواد دیامغناطیس

عوامل موثر بر مغناطیس گرافیت

اتصال بین لایه ای (ساختار شبکه شش ضلعی)

تک لایه های گرافن در گرافیت کمی دیامغناطیس هستند. متوجه خواهید شد که یک دافعه جزئی نسبت به میدان های مغناطیسی وجود دارد. با این حال، نحوه چیدمان این لایه ها بسیار مهم است.

لایه ها توسط نیروهای ضعیف واندروالس به هم متصل می شوند و جهت گیری و فاصله نسبی آنها می تواند بر تعامل مغناطیسی متقابل آنها تأثیر بگذارد.

ناخالصی ها (دوپینگ و عیوب)

ساختار الکترونیکی گرافن و خواص مغناطیسی آن را می توان با وارد کردن اتم ها (ناخالص کننده ها) یا ایجاد نقص های ساختاری تغییر داد.

با جایگزینی یک یا چند اتم کربن با عناصری مانند بور یا نیتروژن، سیستم حاوی الکترون های جفت نشده است.

این باعث می شود که آن را مستعد فرومغناطیس (جایی که تمام گشتاورهای مغناطیسی آن در یک جهت واحد قرار دارند) مستعد می کند.

 میدان مغناطیسی خارجی

به نظر می رسد که حتی گرافیت خالص، بدون هیچ گونه ناخالصی یا عیب، می تواند با اعمال یک ماده خارجی به آهنربا تبدیل شود. میدان مغناطیسی. هنگامی که یک لایه در هر عنصر وجود دارد، هم ترازی میدان می تواند لایه های مته را جهت دهی کند و یک مغناطش ماکروسکوپی خالص ایجاد کند.

تغییرات دما

مغناطیس گرافیت به شدت تحت تأثیر دما قرار می گیرد. دما باعث تغییر در انرژی جنبشی الکترون های آن می شود.

در عین حال، تحرک آنها را تغییر می دهد و در نتیجه خواص مغناطیسی آنها تغییر می کند. تأثیر دما به توضیح ماهیت و تغییرپذیری مغناطیس گرافیت کمک می کند.

ساختار گرافیت و تاثیرات آن بر مغناطیس

لایه های لانه زنبوری

لایه‌های گرافن مانند لانه‌های زنبوری هستند، با اتم‌های کربن در ساختار هیبریدی محکم sp2 و تشکیل پیوندهای قوی در هر لایه.

این پیوندها گرافیت را رسانای خوبی می کند و حرکت الکترون ها را بر روی صفحات عمود بر جهت آنها محدود می کند. این حرکت محدود یک عامل کلیدی در جلوگیری از برهم کنش مغناطیسی بیش از حد لایه ها است.

اتصال ضعیف بین لایه ها

لایه‌های گرافن روی هم انباشته می‌شوند که توسط برهمکنش‌های ضعیف واندروالسی محدود شده‌اند. از آنجایی که پیوندهای sp2 درون صفحه بسیار قوی تر از این نیروهای بین لایه ای هستند، تعامل الکترونیکی بسیار کمی بین لایه ها وجود دارد.

این جفت ضعیف به هر لایه اجازه می‌دهد دیا مغناطیس اولیه خود را حفظ کند، یعنی مقاومت کمی در برابر میدان‌های مغناطیسی. با این حال، موقعیت نسبی این لایه ها بر پاسخ مغناطیسی کلی آنها تأثیر می گذارد.

نظم انباشته و مغناطیس

این برهمکنش مغناطیسی بین لایه‌ای به ترتیب انباشته شدن لایه‌ها در پشته‌های گرافن بستگی دارد.

هنگامی که دو لایه روی انباشته برنال دیا مغناطیس مخالف جهت گیری را نشان می دهند، اثر ضد فرومغناطیسی است (مغناطیس کل از بین می رود).

رقص ممکن است با دیگر الگوهای انباشته شدن ممکن اصلاح شود، که منجر به فرومغناطیس ضعیف یا پدیده های مغناطیسی عجیب و غریب به دلیل تغییرات کوچکی که بر جابجایی الکترون بین لایه ها تأثیر می گذارد، می شود.

اثرات لبه و نقص

در نهایت، لبه‌های ورقه‌های گرافن پیوندهای آویزان از خود به جا می‌گذارند و گشتاورهای مغناطیسی محلی ایجاد می‌کنند. سپس اینها می توانند با دیامغناطیس ضعیف توده ارتباط برقرار کنند و در نتیجه بر رفتار مغناطیسی کلی تأثیر بگذارند.

گاهی اوقات، می‌توانید اتم‌های خارجی مانند بور یا نیتروژن را اضافه کنید، که الکترون‌های جفت نشده‌ای را به همراه می‌آورند که به فرومغناطیس قوی‌تر کمک می‌کنند.

ساختار برای گرافیت
ساختار برای گرافیت

انواع دیگر کربن و خواص مغناطیسی آنها

الماس

ساخته شده از یک شبکه چهار وجهی که به آن ظاهری می بخشد، این ویژگی شگفت انگیز آن را دیامغناطیس می کند.

از آنجا که هر کربن به طور مساوی با هر چهار همسایه پیوند دارد، الکترون ها جفت می شوند و هیچ گشتاور مغناطیسی خالص وجود ندارد.

با این حال، ناخالصی‌های نیتروژن یا سایر بی‌نظمی‌های سطحی می‌توانند الکترون‌های جفت‌نشده را به جا بگذارند که فرومغناطیس را ضعیف می‌کند.

فولرن

مانند باکی‌بال‌های معروف، این قفس‌های کربنی کروی یا استوانه‌ای نیز دیامغناطیس را نشان می‌دهند.

علاوه بر این، ساختار الکترونیکی پوسته بسته آنها، تعداد کمی الکترون جفت نشده تولید می کند. اما، با استفاده از اتم های مغناطیسی برای دوپ کردن یا با اتصال یک مولکول متحرک مغناطیسی، می توان درها را برای نانومغناطیس های جدید باز کرد.

نانولوله های کربنی

این شگفتی های تک بعدی انواع مختلفی از رفتار مغناطیسی را تحت تأثیر تغییرات کایرالیته و قطر نشان می دهند.

نانولوله های فلزی دیامغناطیس هستند، اما نانولوله های نیمه رسانا اگر الکترون های جفت نشده در ساختار نواری خود داشته باشند، می توانند پارامغناطیس باشند.

افزودن عیوب یا ناخالصی ها ممکن است باعث فرومغناطیس یا ضد فرومغناطیس شود که آنها را کاندیدای عالی برای اسپینترونیک می کند.

کربن آمورف

در این شکل بی نظم که حاوی دوده و زغال چوب است، ساختار الکترونی تصادفی و غیرمحلی می شود. دیامغناطیس کمی وجود دارد یا اصلا وجود ندارد.

در صورت وجود ناخالصی یا نقص، گشتاورهای مغناطیسی موضعی ایجاد می کند که باعث می شود این مواد رفتار بسیار پیچیده ای داشته باشند.

گرافن

اگرچه ورقه‌های گرافن به همان اندازه شبیه گرافیت هستند، اما ورقه‌های گرافنی که به طور مستقل تشکیل شده‌اند، دارای خاصیت مغناطیسی کوانتومی غیرعادی هستند.

این به دلیل دو بعدی بودن آنها و افزایش برهمکنش الکترون-الکترون است. این امر راه های جدیدی را برای تحقیق در مورد مغناطیس عجیب و غریب در سطح اتمی هموار می کند.

نتیجه

این فقط نگاهی اجمالی به دنیای فریبنده مغناطیس کربن است. با تحقیق و اکتشاف مداوم، ممکن است اسرار مغناطیسی جذابی را کشف کنیم.

منابع بیشتر

Graphite melting point – KDMfab

تنظیمات برگزیده کوکی ها را به روز کنید
رفته به بالا