Ruthenium (Ru) - das vierte Element mit ferromagnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur

Ruthenium (Ru) - das vierte Element mit ferromagnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur



Wir kennen das Periodensystem von der Schulbank aus. Im Laufe der Jahre der Forschung und Forschung tauchen neue Elemente darin auf. Aber diejenigen, die schon lange ihren Ehrenplatz in der Tabelle eingenommen haben, können etwas Neues demonstrieren. Forschern der University of Minnesota gelang es zu beweisen, dass das chemische Element Nummer 44 - Ruthenium - sehr bemerkenswerte magnetische Eigenschaften aufweist. Wie wichtig ist diese Entdeckung für die Welt der Wissenschaft und Technologie? Wie haben Sie die versteckten Eigenschaften eines bereits bekannten Elements entdeckt? Und warum wurden diese Suchanfragen ursprünglich organisiert? Wir werden versuchen, Antworten auf diese Fragen zu finden. Lass uns gehen.

Was ist Ru?

Zunächst lohnt es sich, den Hauptprotagonisten dieses Ereignisses, Ruthenium, kennenzulernen. Dies ist ein Element der achten Gruppe der fünften Periode mit der Ordnungszahl 44. Es ist das sogenannte Übergangsmetall. In den Atomen solcher Elemente erscheinen Elektronen auf f- und d- Orbitalen * .

Das Atomorbital * ist eine Ein-Elektronen-Psi-Funktion (in der Quantenmechanik wird der reine Zustand eines Systems beschrieben), die durch Lösen der Schrödinger-Gleichung für ein bestimmtes Atom erhalten wird.

Das Bild zeigt die Form und Position von f (grün) und d (blau) Orbitalen im Raum

Bei Orbitalen werden Buchstaben verwendet, die einem bestimmten Wert der Orbitalquantenzahl entsprechen, der das kinetische (Orbital-) Moment * des Elektrons bestimmt.

Kinetisches (Orbital-) Moment * - eine Größe, die die Rotationsbewegung beschreibt, dh eine Kombination solcher Nuancen: Masse eines rotierenden Körpers, Massenverteilung relativ zur Rotationsachse, Rotationsgeschwindigkeit.

Zum ersten Mal erfuhr die Welt bereits 1844 dank Karl Klaus, Professor an der Kasaner Universität, von der Existenz von Ruthenium. Der Name dieses Elements ist sehr patriotisch, da das Wort „ Ruthenia “ als Grundlage aus dem Lateinischen als „ Russland “ oder „ Russland “ übersetzt wird.

Um Ruthenium zu erhalten, ist es notwendig , * Platin oder andere Platinmetalle zu raffinieren.

Raffinieren * - Reinigung von Schwermetallen von Verunreinigungen. Im Fall von Platin ist dies eine Reinigung durch Auflösen in Mineralsäuren und Isolieren aus der Lösung unter Verwendung von Reagenzien.

Was ist neu an Ruthenium?

Die Tatsache, dass einige Substanzen magnetische oder eher ferromagnetische Eigenschaften haben, ist der Menschheit seit langem bekannt. Bis zum letzten Moment waren nur 3 Elemente aus dem Periodensystem bekannt, die bei Raumtemperatur Ferromagnete genannt werden: Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Kobalt (Co).

Neue Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass diese kurze Liste etwas länger wird. Ruthenium zeigte eine Sättigung der Magnetisierung von 148 emu / cm & supmin; ³ bei Raumtemperatur und 160 emu / cm & supmin; ³ bei 10 K (-263,15ºC). Es wurde auch gezeigt, dass sich diese magnetischen Eigenschaften mit zunehmender Dicke des Ruthenium-Testfilms zu ändern beginnen. Je dicker der Film ist, desto schwächer ist die Magnetisierung.

Muster für die Forschung erstellen

Rutheniumfilme mit einer Dicke von 2,5, 6 und 12 nm wurden auf einem Al ₂ O ₃ -Substrat in (1120) -Richtung mit einer zusätzlichen Schicht aus 20 nm dickem Molybdän (Mo) gezüchtet. Der Sprühvorgang wurde an 8 Punkten unter Ultrahochvakuum bei einem Druck von 10 & ^supmin ; & ^sup8 ; Torr an jedem Punkt durchgeführt.

Torr * - ein anderer Name für die Maßeinheit ist "Millimeter Quecksilber". Erhielt seinen Namen zu Ehren des italienischen Mathematikers und Physikers Evangelista Torricelli.

Eine 2,5 nm dicke Probe wurde bei Raumtemperatur gezüchtet. Und Proben mit einer Dicke von 6 und 12 nm wurden während des Temperns auf 400 ° C erhitzt.

Kristallographie von Proben

Nachdem eine Molybdän- (20 nm) und Ruthenium- (2,5 nm) Schicht bei Raumtemperatur gezüchtet worden war, wurde eine Kontrollprobe erzeugt. Als zusätzliche Kontrollprobe wurde bei einer Temperatur von 400 ° C eine (110) Molybdänschicht mit einer Dicke von 20 nm auf einem Al ₂ O ₃ -Substrat erzeugt, jedoch bereits ohne Ruthenium.



Das Bild oben ( 1a ) zeigt die Epitaxie kristallographischer Familien von Ebenen (110) Al ₂ O ₃ // (110) Mo // (011) Ru. Die epitaktische * Bindung wurde durch Röntgenbeugung (XRD) durch Drehen der Probe um 360 ° bestätigt.

Epitaxie * - das Wachstum eines kristallinen Materials auf der Oberfläche eines anderen bei niedrigeren Temperaturen.

In Bild 1b ist eine 4-fache Symmetrie der (110) Al ₂ O ₃ -Ebenen deutlich sichtbar, und es ist auch eine Drehung der kristallographischen Orientierung von Molybdän um 35 ° gegenüber der Ebene des Substrats (001) festzustellen.



Die Graphen 1c zeigen die Ergebnisse der & thgr; - ​​2 & thgr; -Beugungsabtastung für alle vier Proben.

Eine bei Raumtemperatur gezüchtete Probe zeigte keine Anzeichen von Texturierung. Bei 400 ° C gewachsene Proben mit einer Dicke von 2,5, 6 und 12 nm zeigten jedoch eine starke Texturierung von (110) Molybdän.



Das letzte Diagramm in diesem Satz - 1d - zeigt das Röntgenreflexionsvermögen von strukturierten Proben. Der Rauheitsgrad für jede Probe wurde festgestellt: 0,21 nm für eine 2,5 nm dicke Probe, 0,13 für 6 nm und 0,21 für 6 nm dick.


PREM-Schnappschüsse

Die mit PREM (Transmissions-Rasterelektronenmikroskop) erhaltenen Bilder zeigten eine starke Texturierung der Schichten aus Molybdän und Ruthenium. Es wird auch eine Verzerrung der Rutheniumepitaxie festgestellt, die sich in Form einer Verschiebung von (110) -Ebenen manifestiert. Forscher glauben, dass diese Verzerrung auf die Inkonsistenz von (001) Molybdän und (100) Ruthenium zurückzuführen ist.

Magnetische Eigenschaften

Unter Verwendung eines Vibrationsmagnetometers * wurden Hystereseschleifen * (MH) für Rutheniumfilme gemessen, die bei hoher Temperatur mit einer Dicke von 2,5, 6 und 12 nm gezüchtet wurden. Die Messungen wurden bei einer Temperatur von 10 K und 300 K durchgeführt.

Das Vibrationsmagnetometer * ist ein hochempfindliches Gerät zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften verschiedener magnetischer Materialien.

Messschema mit einem Vibrationsmagnetometer.

Die Hystereseschleife * ist eine Kurve, die den Verlauf der Abhängigkeit der Magnetisierung von der Stärke des externen Feldes darstellt. Der Schleifenbereich zeigt die Kräfte an, die für die Magnetisierungsumkehr erforderlich sind.

Für eine 2,5 nm dicke Probe zeigten die Messungen ausgeprägte ferromagnetische Eigenschaften. M _s bei einer Temperatur von 10 K betrug 160 emu / cm & ^supmin ; ^³ und bei einer Temperatur von 300 K - 148 emu / cm & supmin; ^³ . Da die Berechnungen von M _s unter Berücksichtigung der Tatsache durchgeführt wurden, dass die gesamte Fläche des Rutheniumfilms magnetisch ist, wurde die Beziehung zwischen der Filmdicke und der Magnetisierungskraft offenbart. Je dicker der Film ist, desto schwächer ist die Magnetisierung.

Probe Sub \ Mo (20) \ Ru (X)	2,5 nm	6 nm	12 nm	Kontrollprobe	Insgesamt über alle Proben
Gemacht	5	5	2	5	12
FM	4	5	2	0	11
FM M vs. H.	30	21	4	5	55

Messvibrationsmagnetometer:

• Made - die Anzahl der gemachten Proben;
• FM - die Anzahl der Proben mit ferromagnetischen Eigenschaften;
• FM M vs. H ist die Anzahl der Hystereseschleifen.

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, zeigen Proben mit einer Dicke von 2,5 nm und 6 nm ähnliche Ergebnisse. Darauf basierend wurde der durchschnittliche Magnetisierungswert für diese Proben berechnet (bei den Berechnungen wurden alle Proben dieser Dicken berücksichtigt) - 141 emu / cm & supmin; ^³ . Der ungefähre Wert der Koerzitivkraft * für alle Proben betrug 130 Oe (kA / m).

Die Koerzitivkraft * ist ein Indikator für die Magnetfeldstärke, die für die vollständige Entmagnetisierung einer ferromagnetischen Substanz (oder einer ferrimagnetischen Substanz) erforderlich ist.

Es war auch notwendig, eine mögliche „Kontamination“ der Proben auszuschließen, dh die Möglichkeit des äußeren Einflusses von etwas auf die Probe, der die Messindikatoren verzerren könnte. Zunächst wurde der Probenhalter darauf überprüft (Teil des Messgeräts, in dem die Probe zur Fixierung platziert wird). Nach jeder Messung jeder Probe wurde der Halter auf das Vorhandensein eines paramagnetischen Signals überprüft. Um die Testergebnisse weiter zu verfeinern, wurden die Messungen der Proben unter Verwendung anderer Halter wiederholt.

Proben ohne Kristallographie wurden einem weiteren Test unterzogen, um die Tatsache zu bestätigen, dass die strukturierte Rutheniumschicht für die Manifestation ferromagnetischer Eigenschaften verantwortlich ist. Dieser Test war zum Glück für die Forscher ebenfalls erfolgreich.

Eine strukturierte Molybdänprobe, die auf Al ₂ O ₃ bei einer Temperatur von 400 ° C gezüchtet wurde, wurde ebenfalls ohne Aufbringen einer Rutheniumschicht getestet und zeigte keine ferromagnetischen Eigenschaften. Daher wurden Zweifel beiseite geworfen, dass das Molybdän oder der Wärmebehandlungsprozess die Testproben irgendwie „kontaminieren“ und die tatsächlichen Messungen verzerren könnten.

Um die Indikatoren beim Umschalten auf Raumtemperatur zu messen, wurde eine 6 nm dicke Probe verwendet. Grundlage dieser Messung war der Hall-Widerstand * , ausgedrückt als Funktion des externen Feldes (Hz). Hierzu wurde die van der Pauw * -Methode verwendet.

Hall-Effekt * - das Phänomen des Auftretens einer transversalen Potentialdifferenz beim Platzieren eines Leiters mit Gleichstrom in einem Magnetfeld.

Die Van-der-Pauw-Methode * ist eine Vier-Sonden-Methode zur Messung des Hall-Koeffizienten. Die Implementierung ist sehr schwierig, da für die Anwendung bestimmte Bedingungen implementiert werden müssen:

• Die Probe sollte flach und gleichmäßig dick sein und weniger als ihre Breite und Länge haben.
• Die Probe sollte homogen sein (einheitliche Zusammensetzung).
• Die Probe sollte isotopisch sein (über die gesamte Fläche sollten ihre physikalischen Eigenschaften gleich sein).
• Alle ohmschen Kontakte (zwischen dem Metall und dem Halbleiter) sollten sich an den Rändern der Probe befinden (oder so nah wie möglich an ihnen).
• Die Fläche jedes Kontakts sollte eine Größenordnung kleiner sein als die Gesamtfläche der Probe.

Diese Tabelle ist sehr bezeichnend. Wir sehen den Magnetowiderstand (R _Hall ) und den Hall-Effekt (H) für strukturierte (blaue Linie) und nicht texturierte (schwarze Linie) Mo / Ru-Filme. Eine Probe von Al ₂ O ₃ / Mo / Ru, die keine kristallographische Textur aufweist, zeigt nur den gewöhnlichen Hall-Effekt. Die strukturierte Probe zeigt jedoch einen anomalen Hall-Effekt, der über das Übliche hinausgeht. Da diese Probe keine senkrechte Achse hat, ändert sich der Widerstand, sobald das Feld stark genug ist, um zur Sättigung des Entmagnetisierungsfeldes 4πM _{s zu führen} , wobei M _s ungefähr gleich ~ 318 emu / cm ^{-3 ist} .

Forscherergebnisse und Zukunftspläne

Die Wissenschaftler haben lange 2 Jahre lang mühsam gearbeitet, was zu dem Beweis führte, dass es auf der Welt nicht nur drei Elemente mit ferromagnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur gibt.

Dazu sagt Professor Wang, einer der Projektmanager:

Es war aufregend, aber herausfordernd. Wir haben 2 Jahre gebraucht, um den richtigen Weg zu finden, um dieses Material zu züchten und seine Eigenschaften zu bestätigen. Diese Arbeit wird alle anderen Magnetismusforscher dazu anregen, nach den grundlegenden Aspekten des Magnetismus in bekannten Elementen zu suchen.

Diese Studie interessierte sich schnell für Intel, das sie weiterentwickeln will. Und nicht umsonst, denn viele Wissenschaftler glauben, dass die Fähigkeit, die Eigenschaften von Substanzen auf atomarer Ebene zu manipulieren, ein unglaublich wichtiger Bestandteil zukünftiger Entdeckungen ist, die eine Revolution in verschiedenen Bereichen des menschlichen Lebens auslösen können, insbesondere im Bereich der Datenspeicherung und -verarbeitung.

Was bisher nur eine Theorie war, nimmt Gestalt an. Und all dies geschieht dank der neugierigen Köpfe von Wissenschaftlern, die die Welt um sie herum nicht so akzeptieren wollen, wie es ihre Vorgänger beschrieben haben. Fragen stellen, auf der Suche nach der Wahrheit wandern, untersuchen, wie es schon lange untersucht wurde - der einzige Weg, um das Ergebnis zu erzielen. Und die Wissenschaftler dieses Projekts haben es erreicht.

Ich empfehle Ihnen dringend, sich mit der Quelle und Inspiration dieses Artikels vertraut zu machen - einem Bericht von Wissenschaftlern

Ergänzungen zu Studien (Grafiken und Tabellen) finden Sie hier.

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