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Jun 24, 2023

Propriedades magnéticas de N

Relatórios Científicos volume 6,

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 21832 (2016) Citar este artigo

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O grafeno dopado com N com temperatura Curie maior que a temperatura ambiente é um bom candidato para aplicações nanomagnéticas. Aqui relatamos um tipo de grafeno dopado com N que exibe propriedades ferromagnéticas com alta temperatura de Curie (>600 K). Quatro amostras de grafeno foram preparadas através de síntese de alta temperatura autopropagada (SHS) e os teores de nitrogênio dopado nas amostras foram 0 at.%, 2,53 at.%, 9,21 at.% e 11,17 at.%. Verificou-se que a magnetização de saturação e o campo coercitivo aumentam com o aumento dos teores de nitrogênio nas amostras. Para a amostra com maior teor de nitrogênio, as magnetizações de saturação atingem 0,282 emu/g a 10 K e 0,148 emu/g a 300 K; as forças coercitivas atingem 544,2 Oe a 10 K e 168,8 Oe a 300 K. A queda da suscetibilidade magnética em ~625 K para o grafeno dopado com N é causada principalmente pela decomposição do N pirrólico e N pirdínico. Nossos resultados sugerem que o método SHS é um método eficaz e de alto rendimento para produzir grafeno dopado com N com alta concentração de nitrogênio e que o grafeno dopado com N produzido pelo método SHS é promissor para ser um bom candidato para aplicações nanomagnéticas.

O grafeno tem atraído muita atenção desde seu primeiro isolamento por Novoselov e Geim em 20041,2. Foi demonstrado que o grafeno tem muitas propriedades excelentes em campos extensos, como materiais de energia, microeletrônica, sensores e supercondutores esperados3,4. Nos últimos anos, pesquisadores encontraram magnetismo em grafeno ou óxido de grafeno dopado ou defeituoso5,6,7, o que inspirou o amplo interesse na origem do magnetismo, fatores de influência e aplicação prospectiva desses materiais 2D.

O magnetismo em nanomateriais é uma disciplina científica na vanguarda dos campos emergentes em nanociência e nanotecnologia. Nas aplicações tecnológicas atuais, os materiais magnéticos são baseados principalmente nos elementos d e f. Propriedades magnéticas inesperadas foram encontradas em alguns materiais de baixa dimensão. A redução em uma ou mais dimensões normalmente resulta na redução do número de coordenação dos átomos, o que reduz a tendência de salto dos elétrons8,9,10. Além disso, espera-se que a relação interação Coulomb/largura de banda seja aprimorada, o que facilita a tendência ao aparecimento de magnetismo em materiais com dimensões reduzidas.

Estudos sobre as propriedades magnéticas do grafeno estabeleceram as possibilidades de desenvolvimento de materiais magnéticos com leveza, alta resistência e alta condutividade térmica. Foi recentemente demonstrado que o grafeno dopado com portador tem uma suscetibilidade diamagnética muito grande11. A suscetibilidade diminui rapidamente com o aumento da dopagem de elétrons ou buracos12. Chen e Oleg V. Yazyev relataram que a modificação do grafeno com defeitos pontuais leva à implementação de magnetismo baseado em nanoestruturas de carbono nas quais uma transição ferromagneto-antiferromagneto é possível13,14. Um pequeno sinal ferromagnético à temperatura ambiente em grafeno terminado em hidrogênio preparado por redução de óxido de grafite de Birch também foi observado com uma magnetização de 0,006 emu/g15. Da mesma forma, uma magnetização de saturação à temperatura ambiente de 0,02 emu/g foi relatada após a redução parcial do óxido de grafeno usando hidrazina16. Amostras que consistem em óxido de grafeno reduzido relataram ter uma magnetização de 0,79 emu/g a 300 K e o valor aumentou para 1,99 emu/g por recozimento adicional a 500 °C17. É interessante descobrir que o momento ferromagnético de alta temperatura ambiente com alta temperatura de Curie (>700 K) para o óxido de grafeno (GO) é obtido por uma ativação química simples usando ácido fosfórico seguido de tratamento térmico, enquanto sua coercividade é inferior a 20 Oe6. A dopagem substitucional é uma forma promissora de modular as propriedades eletrônicas e magnéticas do grafeno12. Foi relatado que a magnetização à temperatura ambiente de filmes de carbono embutido em grafeno (GSEC) após irradiação de elétrons de baixa energia de 100 eV pode ser de até 0,26 emu/g18. Também foi relatado que o grafeno dopado com N pode ser sintetizado através do recozimento a vácuo de um substrato sanduíche em alta temperatura19. Du et al. prepararam grafeno dopado com N por recozimento de óxido de grafeno reduzido em amônia, o que pode aumentar sua magnetização a uma temperatura relativamente baixa (≤600 °C)20. Li et ai. apontaram que o N pirrólico poderia induzir um momento magnético líquido de 0,95 μB/N, em comparação com o N piridínico, que tem menos influência na polarização do spin dos estados de borda21. Uma rota sintética baseada na desalogenação estequiométrica de precursores de piridina e areno perhalogenados por um metal de transição permite a formação de carbono de coordenação sp2 com domínios de grafeno e a opção de incorporar nitrogênio especialmente em sítios de ligação pirrólicos22. Uma temperatura Curie de aproximadamente 100 K e magnetização de 1,66 emu/g a 2 K foram relatadas para o GO23 dopado com N. O grafeno pirrólico N-dopado sintetizado através de um método hidrotérmico de alto rendimento com concentração de dopagem de 6,02 at.% exibiu ferromagnetismo significativo com um momento magnético de saturação (0,014 emu/g) e uma coercividade estreita (181,4 Oe)5. Consequentemente, o magnetismo do grafeno é um tópico de pesquisa quente devido às propriedades interessantes e várias vantagens sobre o ferromagnetismo baseado em metal de transição convencional.