الروثينيوم (Ru) - العنصر الرابع ذو الخصائص المغناطيسية في درجة حرارة الغرفة

الروثينيوم (Ru) - العنصر الرابع ذو الخصائص المغناطيسية في درجة حرارة الغرفة



نحن على دراية بالجدول الدوري من مقاعد المدرسة. على مر السنين من البحث والبحث ، تظهر عناصر جديدة فيه. لكن أولئك الذين احتلوا مكانهم في الجدول لفترة طويلة يمكنهم إظهار شيء جديد. تمكن باحثون من جامعة مينيسوتا من إثبات أن العنصر الكيميائي رقم 44 - الروثينيوم - له خصائص مغناطيسية رائعة للغاية. ما مدى أهمية هذا الاكتشاف لعالم العلم والتكنولوجيا؟ كيف اكتشفت الخصائص المخفية لعنصر معروف بالفعل؟ ولماذا نظمت عمليات البحث هذه في البداية؟ سنحاول العثور على إجابات لهذه الأسئلة. دعنا نذهب.

ما هو رو؟

أولاً ، يجدر التعرف على بطل الرواية الرئيسي لهذا الحدث ، الروثينيوم. هذا هو عنصر من المجموعة الثامنة من الفترة الخامسة مع العدد الذري 44. وهو ما يسمى المعدن الانتقالي. في ذرات هذه العناصر ، تظهر الإلكترونات على مدارات f و d * .

المدار الذري * هو دالة إلكترون psi واحدة (في ميكانيكا الكم تصف الحالة النقية للنظام) ، تم الحصول عليها نتيجة لحل معادلة شرودنغر لذرة معينة.

تُظهر الصورة الشكل والمكان في مدارات f (خضراء) و d (زرقاء)

عند الحديث عن المدارات ، يتم استخدام الحروف التي تتوافق مع قيمة معينة من العدد الكمي المداري ، والتي تحدد اللحظة الحركية (المدارية) * للإلكترون.

اللحظة الحركية (المدارية) * - كمية تصف الحركة الدورانية ، أي مزيج من هذه الفروق الدقيقة: كتلة الجسم الدوار ، توزيع الكتلة بالنسبة لمحور الدوران ، سرعة الدوران.

لأول مرة ، عرف العالم عن وجود الروثينيوم في عام 1844 بفضل كارل كلاوس ، الأستاذ في جامعة قازان. اسم هذا العنصر وطني للغاية ، حيث أن كلمة " Ruthenia " ، المأخوذة كأساس ، تُترجم من اللاتينية إلى " روسيا " أو " روسيا ".

للحصول على الروثنيوم ، من الضروري صقل البلاتين أو معادن البلاتين الأخرى.

التكرير * - تنقية المعادن الثقيلة من الشوائب. في حالة البلاتين ، يتم التنقية عن طريق إذابة الأحماض المعدنية وعزلها عن المحلول باستخدام الكواشف.

ما الجديد في الروثينيوم؟

حقيقة أن بعض المواد لها خصائص مغناطيسية ، أو بالأحرى مغناطيسية حديدية ، عرفت البشرية لفترة طويلة. حتى اللحظة الأخيرة ، تم معرفة 3 عناصر فقط من الجدول الدوري ، والتي تسمى مغناطيسات حديدية في درجة حرارة الغرفة: النيكل (Ni) والحديد (Fe) والكوبالت (Co).

ومع ذلك ، أظهر بحث جديد أن هذه القائمة القصيرة ستصبح أطول قليلاً. أظهر الروثينيوم تشبع مغنطة قدره 148 emu / cm ^-3 في درجة حرارة الغرفة و 160 emu / cm ^-3 عند 10 K (-263.15 ° C). تم الكشف أيضًا عن أن هذه الخواص المغناطيسية تبدأ بالتغير مع زيادة سمك طبقة اختبار الروثينيوم. كلما كان الفيلم أكثر سمكًا ، كلما كان التمغنط أضعف.

إنشاء عينات للبحث

نمت أغشية الروثنيوم 2.5 و 6 و 12 نانومتر على ركيزة Al ₂ O ₃ في اتجاه (1120) بطبقة إضافية من الموليبدينوم (Mo) بسمك 20 نانومتر. تم تنفيذ عملية الرش عند 8 نقاط تحت ضغط فائق فوق ضغط 10-10 تور لكل نقطة.

Torr * - اسم آخر لوحدة القياس هو "مليمتر الزئبق". حصل على اسمه تكريما للرياضي والفيزيائي الإيطالي إيفانجليستا توريسيلي.

تم زرع عينة بسماكة 2.5 نانومتر في درجة حرارة الغرفة. وتم تسخين العينات 6 و 12 نانومتر إلى 400 درجة مئوية أثناء التلدين.

علم البلورات للعينات

بعد أن نمت طبقة الموليبدينوم (20 نانومتر) والروثينيوم (2.5 نانومتر) في درجة حرارة الغرفة ، تم إنشاء عينة تحكم. أيضًا ، كعينة تحكم إضافية ، عند درجة حرارة 400 درجة مئوية ، تم إنشاء طبقة (110) من الموليبدينوم بسمك 20 نانومتر على ركيزة Al ₂ O ₃ ، ولكن بالفعل بدون روثينيوم.



توضح الصورة أعلاه ( 1a ) خلاصة العائلات البلورية للطائرات (110) Al ₂ O ₃ // (110) Mo // (011) Ru. تم تأكيد الرابطة الفوقية * بواسطة حيود الأشعة السينية (XRD) بتدوير العينة 360 درجة.

Epitaxy * - نمو مادة بلورية على سطح مادة أخرى عند درجات حرارة منخفضة.

في الصورة 1 ب ، يظهر التماثل 4 أضعاف لمستويات (110) Al ₂ O ₃ بوضوح ، ويلاحظ أيضًا دوران الاتجاه البلوري للموليبدينوم بمقدار 35 درجة من مستوى الركيزة (001).



توضح الرسوم البيانية 1 ج نتائج مسح الحيود θ - 2θ لجميع العينات الأربع.

لم تظهر عينة نمت في درجة حرارة الغرفة أي علامات على التركيب. ولكن العينات التي يبلغ سمكها 2.5 و 6 و 12 نانومتر والتي نمت عند 400 درجة مئوية أظهرت نسيج قوي من الموليبدينوم (110).



يظهر الرسم البياني الأخير في هذه المجموعة - 1d - انعكاسية الأشعة السينية للعينات المزخرفة. تم الكشف عن درجة الخشونة لكل عينة: 0.21 نانومتر للعينة بسمك 2.5 نانومتر ، 0.13 لـ 6 نانومتر و 0.21 لسمك 6 نانومتر.


لقطات PREM

أظهرت الصور التي تم الحصول عليها بواسطة PREM (مجهر المسح الإلكتروني) تركيبًا قويًا لطبقات الموليبدينوم والروثينيوم. ويلاحظ أيضًا وجود تشوه في روثيوم epitaxy ، والذي يتجلى في شكل تحول من (110) طائرة. يعتقد الباحثون أن هذا التشويه يرجع إلى عدم اتساق (001) الموليبدينوم و (100) الروثنيوم.

الخواص المغناطيسية

باستخدام مقياس مغناطيسي للاهتزاز ، تم قياس حلقات التباطؤ * (MH) لأغشية الروثينيوم التي نمت في درجة حرارة عالية بسماكة 2.5 و 6 و 12 نانومتر. أجريت القياسات عند درجة حرارة 10 كلفن و 300 كلفن.

مقياس مغناطيسي للاهتزاز * هو جهاز حساس للغاية لتحديد الخصائص المغناطيسية للمواد المغناطيسية المختلفة.

مخطط القياسات باستخدام مقياس مغناطيسي للاهتزاز.

حلقة التباطؤ * هي منحنى يصور مسار اعتماد المغنطة على قوة المجال الخارجي. تعرض منطقة الحلقة القوى المطلوبة لعكس المغنطة.

بالنسبة للعينة التي يبلغ سمكها 2.5 نانومتر ، أظهرت القياسات خصائص مغناطيسية حديدية واضحة. M _s عند درجة حرارة 10 K كانت 160 emu / cm ^-3 ، وعند درجة حرارة 300 K - 148 emu / cm ^-3 . بما أن حسابات M _s أجريت مع الأخذ بعين الاعتبار حقيقة أن المنطقة بأكملها من فيلم الروثينيوم ممغنطة ، تم الكشف عن العلاقة بين سمك الفيلم وقوة الممغنطة. كلما كان الفيلم أكثر سمكًا ، كلما كان التمغنط أضعف.

عينة فرعية \ Mo (20) \ Ru (X)	2.5 نانومتر	6 نانومتر	12 نانومتر	عينة التحكم	الإجمالي عبر جميع العينات
صنع	5	5	2	5	12
وزير الخارجية	4	5	2	0	11
FM M مقابل. ح	30	21	4	5	55

قياس المغناطيسية الاهتزاز:

• صنع - عدد العينات المقدمة ؛
• FM - عدد العينات التي تظهر خصائص المغناطيسية ؛
• FM M مقابل. H هو عدد حلقات التباطؤ.

كما يتبين من الجدول ، تظهر عينات 2.5 نانومتر و 6 نانومتر سميكة نتائج مماثلة. بناءً على ذلك ، تم حساب متوسط ​​قيمة التمغنط لهذه العينات (في الحسابات تم أخذ جميع عينات هذه السماكات في الاعتبار) - 141 emu / cm ^-3 . كانت القيمة التقريبية للقوة القسرية * لجميع العينات 130 Oe (kA / m).

القوة القسرية * هي مؤشر لشدة المجال المغناطيسي المطلوبة لإزالة المغنطة الكاملة للمادة المغناطيسية (أو المغناطيسية المغناطيسية).

كان من الضروري أيضًا استبعاد "التلوث" المحتمل للعينات ، أي إمكانية التأثير الخارجي لشيء ما على العينة ، مما قد يشوه مؤشرات القياس. بادئ ذي بدء ، تم فحص حامل العينة لهذا (جزء من جهاز القياس حيث يتم وضع العينة للتثبيت). بعد كل قياس لكل عينة ، تم فحص الحامل لوجود إشارة مغناطيسية. ولزيادة تحسين نتائج الاختبار ، تم تكرار قياسات العينات باستخدام حاملات أخرى.

خضعت عينات بدون علم البلورات لاختبار آخر من أجل تأكيد حقيقة أن طبقة الروثينيوم هي المسؤولة عن مظهر الخصائص المغناطيسية المغناطيسية. هذا الاختبار ، لحسن الحظ للباحثين ، كان ناجحًا أيضًا.

تم اختبار عينة منسقة من الموليبدينوم المزروعة على Al2O3 عند درجة حرارة 400 درجة مئوية بدون تطبيق طبقة روثينيوم ولم تظهر أي خصائص مغناطيسية حديدية. وبالتالي ، تم وضع الشكوك جانبا في أن الموليبدينوم أو عملية المعالجة الحرارية يمكن أن "تلوث" بطريقة ما عينات الاختبار ، مما يشوه القياسات الفعلية.

من أجل قياس المؤشرات عند التحول إلى درجة حرارة الغرفة ، تم استخدام عينة بسماكة 6 نانومتر. كان أساس هذا القياس هو مقاومة القاعة * ، التي تم التعبير عنها كدالة للمجال الخارجي (هرتز). لهذا ، تم استخدام طريقة van der Pauw * .

تأثير هول * - ظاهرة ظهور فرق الجهد العرضي عند وضع موصل بتيار مباشر في مجال مغناطيسي.

طريقة فان دير باو * هي طريقة من أربعة مجسات لقياس معامل هول. من الصعب جدًا تنفيذه ، لأنه لتطبيقه يجب تنفيذ بعض الشروط:

• يجب أن تكون العينة مسطحة وموحدة في السمك ، والتي يجب أن تكون أقل من عرضها وطولها ؛
• يجب أن تكون العينة متجانسة (موحدة في التكوين) ؛
• يجب أن تكون العينة متناظرة (يجب أن تكون خواصها الفيزيائية متماثلة على كامل المنطقة)
• يجب وضع جميع جهات الاتصال الأومية (بين المعدن وأشباه الموصلات) عند حواف العينة (أو أقرب ما يمكن منها) ؛
• يجب أن تكون مساحة كل جهة اتصال أصغر حجمًا من المساحة الإجمالية للعينة.

هذا المخطط إرشادي للغاية. نرى المقاومة المغناطيسية (R _Hall ) وتأثير Hall (H) للأفلام المزخرفة (الخط الأزرق) وغير المحكم (الخط الأسود) Mo / Ru. عينة من Al ₂ O ₃ / Mo / Ru ، التي لا تحتوي على نسيج بلوري ، توضح فقط تأثير Hall العادي. ومع ذلك ، فإن العينة المحسوسة تظهر تأثير قاعة غير عادي يتجاوز المعتاد. بالنظر إلى أن هذه العينة لا تحتوي على محور عمودي ، تتغير المقاومة بمجرد أن يكون الحقل قويًا بما يكفي ليؤدي إلى تشبع مجال إزالة المغنطة 4πM _s ، حيث M _s تساوي تقريبًا ~ 318 emu / cm ^-3 .

نتائج الباحثين والخطط المستقبلية

استغرق العلماء سنتين طويلتين من العمل الشاق ، مما أدى إلى أدلة على أنه لا يوجد في العالم ثلاثة عناصر فقط ذات خصائص مغناطيسية حديدية في درجة حرارة الغرفة.

هذا ما يقوله البروفيسور وانغ ، أحد مديري المشروع عن هذا:

كانت مثيرة ولكنها صعبة. استغرق الأمر منا عامين للعثور على الطريقة الصحيحة لزراعة هذه المواد وتأكيد خصائصها. سيثير هذا العمل جميع الباحثين الآخرين في المغناطيسية لبدء البحث عن الجوانب الأساسية للمغناطيسية في العناصر المعروفة جيدًا.

سرعان ما أصبحت هذه الدراسة مهتمة بإنتل ، التي تريد تطويرها أكثر. وليس عبثا ، لأن العديد من العلماء يعتقدون أن القدرة على التعامل مع خصائص المواد على المستوى الذري هي عنصر مهم للغاية للاكتشافات المستقبلية التي يمكن أن تبدأ ثورة في مختلف قطاعات الحياة البشرية ، ولا سيما في مجال تخزين البيانات ومعالجتها.

ما كان في السابق مجرد نظرية يبدأ في التبلور. وكل هذا يحدث بفضل العقول الفضولية للعلماء الذين لا يريدون قبول العالم من حولهم كما وصفه أسلافه. طرح الأسئلة والتجول بحثًا عن الحقيقة ودراسة ما تمت دراسته منذ فترة طويلة - الطريقة الوحيدة لتحقيق النتيجة. وقد توصل إليه علماء هذا المشروع.

أوصي بشدة أن تتعرف على مصدر وإلهام هذه المقالة - تقرير من العلماء

يمكن العثور على إضافات للدراسات (الرسوم البيانية والجداول) هنا.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟