http://issp.ras.ru/Control/Inform/perst/perst.htm#B_9_20_2

Еще раз про магнитный углерод

Один из последних номеров Nature Physics возвращает нас к проблеме ферромагнитного углерода [1]. Собственно, проблема проста – откуда берется магнетизм в материале с s- и p-орбиталями, тогда как магнитные материалы – это обычно материалы с d- и f-электронами.

Следует признать, что проблема уже слегка поостыла. Авторы сами приводят целый список углеродных объектов, в которых (помимо графита) магнетизм уже наблюдался – преимущественно различные формы облученного углерода, в том числе облученные наноалмазы. Так что сомнений в существовании эффекта, по-видимому, не осталось. Остаются неясными детали, механизмы, и в том числе то, действительно ли это общее явление или в каждом случае удачно сработал какой-то частный фактор.

Кстати, хочется добавить к коллекционному списку авторов еще один объект – тоже элемент четвертой группы из верхней части таблицы Менделеева – кремний, точнее его пористую форму. Если кто-то еще помнит, пористый кремний – это некое множество материалов, которые получали по разным технологиям из кремния. Они не прямые родственники материалам, которые исследуются в обсуждаемой статье, но имеют много существенных общих черт: отсутствие d- и f-электронов и очень высокая плотность дефектов. Лет пятнадцать назад, в эпоху, когда на гребне интереса оказался пористый кремний, а слово графен воспринималось как орфографическая ошибка, были опубликованы две работы, достаточно надежно зафиксировавшие ферромагнитный сигнал от двух типов пористого кремния [2,3]. Исследование оптических поляризационных эффектов также заставляет предположить существование в пористом кремнии достаточно сложного упорядочения [4]. С одной стороны, принципиальная возможность возникновения магнетизма в системе дефектов высокой плотности была понятна еще тогда, но устойчиво получать магнитные образцы не научились, и направление развития не получило.

Однако вернемся к обсуждаемой работе. Поскольку априори было понятно, что магнетизм возникает на структурных дефектах, был применен целый арсенал современных микроскопических методик. Помимо хорошо известного AFM, в распоряжении авторов статьи были МFМ (магнито-силовая микроскопия) и EFM (электростатическая силовая микроскопия). Плюс, разумеется, SQUID, все-таки проводились магнитные исследования.

В результате авторам удалось уверенно показать, что магнетизм сосредоточен в границах кристаллических зерен графита, являющихся концентратом дефектов. При этом, как казалось, далеко не всякие дефекты способны обеспечить магнитный порядок. В частности, было показано, что дефекты на ступенчатой поверхности не несут магнитного момента, а дефекты, скрытые внутри графитовых слоев, как раз обладают магнетизмом. Для этого и понадобилась комбинация атомно-силовой микроскопии, чувствительной к рельефу, и магнитно-силовой микроскопии, чувствительной к градиенту поля. Окончательно уточнить локализацию магнитного момента удалось, перемагничивая кантилевер магнито-силового микроскопа. Сила, действующая на кантилевер от намагниченного объекта, меняла знак при изменении знака остаточной намагниченности кантилевера. За счет этого, при неизменном режиме работы MFM, кажущийся рельеф вблизи границы графитового кристаллита инвертировался, что и являлось надежным доказательством обнаружения локализованных магнитных моментов.

Авторы обещают, что полученный результат расширит функциональность будущей графеновой электроники и нанотехнологии вообще. Впрочем, речь идет о магнетизме примерно 10^-5 доли атомов образца, что должно давать магнитный вклад, сравнимый по величине с диамагнетизмом. Но все равно приятно.

М.Компан

1. J.Červenka et al., Nature Phys. 10, advance online publication 4 October 2009.

2. P.Laiho et al., J. Luminescence 57, 197 (1993).

3. J.Hack et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 452, 147 (1997).

4. М.Е.Компан и др., ЖЭТФ 117, 368 (2000).