5. Наноуглеродные ферромагнетики
Для формирования и роста углеродных нанотрубок в процессе пиролиза необходимо
присутствие частиц железа или кобальта. Показано, что в образовании
сонаправленных углеродных нанотрубок при пиролизе фталоцианида железа (II)
(FePc) принимают участие две частицы железа. Маленькая частица железа служит
зародышем, на котором образуется трубка, а с другого конца трубки большая
частица железа ускоряет ее рост. Сонаправленные нанотрубки получают на кварцевом
стекле пиролизом FePc в аргон-водородной атмосфере.
Рис. 1.11. Изображение частиц железа (светлые точки) на концах ориентированных
углеродных нанотрубок в сканирующем электронном микроскопе.
На рис. 1.11 показано изображение частиц железа на концах сонаправленных
нанотрубок, полученное в сканирующем электронном микроскопе. На рис. 1.12
приведены кривые намагничивания при 5 и 300 К в направлении вдоль трубок, из
которого видно, что при 5 К гистерезис больше. На рис. 1.13 и 1.14 представлены
графики температурной зависимости коэрцитивной силы Нс и отношения остаточной
намагниченности Мг к намагниченности насыщения Ms. Видно, что при уменьшении
температуры от комнатной (300 К) до жидкого гелия (4 К) коэрцитивная сила
увеличивается более чем в три раза. Эти частицы железа на концах сонаправленных
нанотрубок могут стать основой для устройств магнитной записи высокой плотности.
Стенки нанотрубок могут обеспечить немагнитные разделительные элементы между
наночастицами железа, функция которых состоит в уменьшении магнитного
взаимодействия между соседними наночастицами до приемлемых значений. При слишком
сильном взаимодействии между ферромагнитными частицами для переориентации их
магнитного момента будет требоваться слишком большое поле. Повышенный интерес к
синтезированию неполимерных органических ферромагнетиков обусловлен перспективой
получения таких веществ, которые в результате химической модификации молекул
системы могут оказаться диэлектриками и иметь меньшую плотность. Электронное
сродство молекулы С60 очень велико, то есть она активно стремится связывать
электроны. С другой стороны, молекула C2N2(CH3)8, или диметиламиноэтилен,
является активным электронным донором, то есть легко отдает электрон другой
молекуле. При растворении С60 и диметиламиноэтилена в смеси бензола и толуола
комплексное соединение С60 и C2N2(CH3)8 выпадает в осадок. Этот комплекс имеет
соотношение компонентов 1:1 и кристаллизуется в моноклинную решетку. Для этого
вещества обнаружено большое увеличение магнитной восприимчивости при температуре
16 К, что является признаком возникновения ферромагнитного состояния. До
последнего времени это была самая высокая температура Кюри для органических
ферромагнетиков.
Рис. 1.12. Петля гистерезиса кривой намагничивания наночастиц железа на концах
ориентированных нанотрубок в параллельном нанотрубкам магнитном поле Н при
температурах 4 и 320 К.
Рис. 1.13. Зависимость коэрцитивной силы Нс наночастиц железа на концах
ориентированных нанотрубок от температуры Т.
Рис. 1.14. Зависимость отношения оста¬точной намагниченности Мг к
намагни¬ченности насыщения Ms наночастиц железа на концах ориентированных
нанотрубок от температуры Т.
Под давлением 6 ГПа при температуре 1000 К формируется новая кристаллическая
структура С60. В этой структуре молекулы фуллерена лежат в параллельных
плоскостях и связаны в этих плоскостях друг с другом так, что образуют
гексагональную решетку. Структура очень похожа на структуру графита, в которой
роль атомов углерода играют молекулы С60. Хотя эта структура и формируется при
высоком давлении, она оказывается стабильной и при нормальных условиях. Изучение
магнитных свойств этого материала показало, что переход в ферромагнитное
состояние у него происходит при поразительно высокой температуре, а именно около
500 К. Однако, этот результат вызывает в научном сообществе некоторый
скептицизм, так как в гексагональной структуре С60 нет неспаренных электронов,
необходимых для возникновения ферромагнетизма. Исследователи, получившие этот
результат, предполагают, что в материале присутствуют дефекты, такие как
разорванные химические связи между соседними молекулами С60. Такие оборванные
связи могут быть источником электронов проводимости, которые могли бы вызвать
зонный ферромагнетизм. Таковым называется ферромагнетизм спинов, носители
которых могут передвигаться по кристаллу. Независимых подтверждений этого
результата пока нет.