Grafiet blijkt magnetisch te zijn

Grafiet blijkt ijzerachtige eigenschappen te hebben

Gewoon grafiet is bij kamertemperatuur permanent licht magnetisch. Natuurkundigen van de TU/e laten in Nature Physics als eersten zien hoe dat komt: smalle strookjes in het materiaal blijken zich te gedragen als een magnetisch materiaal. Dit is interessant voor toepassingen in de nanotechnologie, zoals biosensoren voor in het menselijk lichaam.

Grafiet is een materiaal dat onder andere bekend is als smeermiddel en als basis voor potloden. Het bestaat uit atomair dunne lagen (grafeen) die zwak met elkaar verbonden zijn en dus heel gemakkelijk over elkaar glijden. Vandaar dat grafiet zo goed als smeermiddel werkt.


Onverwacht
Dat grafiet ferromagnetisch blijkt te zijn, is onverwacht. De onderzoekers Jiri Cervenka en Kees Flipse (TU Eindhoven) laten samen met Misha Katsnelson (Radboud Universiteit Nijmegen) zien hoe dit komt. Grafiet blijkt te bestaan uit kleine gebieden van keurig geordende koolstofatomen, die worden omzoomd door veel dunnere strips (ca. 2 nanometer breed) van roosterfouten die het rooster onderbreken. In deze strips (het rode/gele gebied in de linker figuur) gedragen de elektronen zich anders dan in het keurige atoomrooster zelf (de blauwe gebieden). Daardoor gaan ze in hun gedrag lijken op ijzer of kobalt, materialen die ferromagnetisch zijn.

Discussie beslecht
De strips in de verschillende lagen grafiet (zie figuur rechts) zijn magnetisch met elkaar gekoppeld en vormen zo tweedimensionale netwerken. Hierdoor gaat het gehele stuk grafiet zich als een permanente magneet gedragen. De onderzoekers laten met hun publicatie ook zien dat het magnetisme van koolstof niet veroorzaakt wordt door ferromagnetische verontreinigingen, wat door sommigen wordt beweerd. Daarmee lijkt een tien jaar oude discussie hierover beslecht.

Koolstof in spintronica
Blijkbaar kan een materiaal met uitsluitend koolstofatomen worden gebruikt als een zwakke magneet. Dit opent nieuwe wegen voor spintransport in koolstofhoudende materialen. Spins kun je daarin over grote afstanden transporteren en een spin in koolstof is al met een heel klein magneetveld te schakelen. Beide zijn belangrijke pluspunten voor toepassing in spintronica, die we inmiddels al vinden in harddisks en sensoren in bijvoorbeeld autos. Ook wordt koolstof geaccepteerd door het lichaam (denk aan Norit), dus juist ook voor biosensoren is het magnetische gedrag van grafiet veelbelovend.

Publicatie Nature Physics
De publicatie in Nature Physics 'Room-temperature ferromagnetism in graphite driven by 2D networks of point defects door Jiri Cervenka, Misha Katsnelson en Kees Flipse is zondagavond 4 oktober om 19.00 uur online verschenen. Het artikel is te vinden via DOI 10.1038/NPHYS1399.