Rutenio (Ru): el cuarto elemento con propiedades ferromagnéticas a temperatura ambiente
Estamos familiarizados con la tabla periódica del banco escolar. Con los años de investigación e investigación, aparecen nuevos elementos en él. Pero aquellos que han ocupado su lugar de honor en la mesa durante mucho tiempo pueden demostrar algo nuevo. Investigadores de la Universidad de Minnesota lograron demostrar que el elemento químico número 44, el rutenio, tiene propiedades magnéticas muy notables. ¿Cuán importante es este descubrimiento para el mundo de la ciencia y la tecnología? ¿Cómo descubriste las propiedades ocultas de un elemento ya conocido? ¿Y por qué estas búsquedas se organizaron inicialmente? Intentaremos encontrar respuestas a estas preguntas. Vamos
¿Qué es ru?Primero, vale la pena conocer al protagonista principal de este evento, el rutenio. Este es un elemento del octavo grupo del quinto período con el número atómico 44. Es el llamado metal de transición. En los átomos de tales elementos, los electrones aparecen en los
orbitales f y d
* .
El orbital atómico * es una función psi de un electrón (en mecánica cuántica describe el estado puro de un sistema), obtenida como resultado de resolver la ecuación de Schrödinger para un átomo específico.
La imagen muestra la forma y la ubicación en el espacio de los orbitales f (verde) yd (azul)Cuando se habla de orbitales, se usan letras que corresponden a un cierto valor del número cuántico orbital, que determina el momento
cinético (orbital) * del electrón.
Momento cinético (orbital) *: una cantidad que describe el movimiento de rotación, es decir, una combinación de tales matices: masa de un cuerpo giratorio, distribución de masa relativa al eje de rotación, velocidad de rotación.
Por primera vez, el mundo aprendió sobre la existencia de rutenio en 1844 gracias a Karl Klaus, profesor de la Universidad de Kazan. El nombre de este elemento es muy patriótico, ya que la palabra "
Rutenia ", tomada como base, se traduce del latín como "
Rusia " o "
Rusia ".
Para obtener rutenio, es necesario
refinar * platino u otros metales de platino.
Refinación * - purificación de metales pesados a partir de impurezas. En el caso del platino, esta es la purificación disolviéndola en ácidos minerales y aislándola de la solución usando reactivos.
¿Qué hay de nuevo en el rutenio?El hecho de que algunas sustancias tengan propiedades magnéticas, o más bien ferromagnéticas, la humanidad lo sabe desde hace mucho tiempo. Hasta el último momento, solo se conocían 3 elementos de la tabla periódica, que se denominan ferromagnetos a temperatura ambiente: níquel (Ni), hierro (Fe) y cobalto (Co).
Sin embargo, una nueva investigación ha demostrado que esta breve lista será un poco más larga. El rutenio demostró una saturación de magnetización de 148 emu / cm
-3 a temperatura ambiente y 160 emu / cm
-3 a 10 K (-263.15 ° C). También se reveló que estas propiedades magnéticas comienzan a cambiar con el aumento del grosor de la película de prueba de rutenio. Cuanto más gruesa es la película, más débil es la magnetización.
Crear muestras para investigaciónSe hicieron crecer películas de rutenio de 2,5, 6 y 12 nm de espesor sobre un sustrato de Al
2 O
3 en la dirección (1120) con una capa adicional de molibdeno (Mo) de 20 nm de espesor. El proceso de pulverización se llevó a cabo en 8 puntos bajo vacío ultra alto a una presión de 10
-8 torr en cada punto.
Torr *: otro nombre para la unidad de medida es "milímetro de mercurio". Obtuvo su nombre en honor del matemático y físico italiano Evangelista Torricelli.
Se cultivó una muestra de 2,5 nm de espesor a temperatura ambiente. Y las muestras de 6 y 12 nm de espesor se calentaron a 400 ° C durante el recocido.
Cristalografía de muestrasHabiendo crecido una capa de molibdeno (20 nm) y rutenio (2.5 nm) a temperatura ambiente, se creó una muestra de control. Además, como muestra de control adicional, a una temperatura de 400 ° C, se creó una capa (110) de molibdeno de 20 nm de espesor sobre un sustrato de Al
2 O
3 , pero ya sin rutenio.
La imagen de arriba (
1a ) muestra la epitaxia de las familias de planos cristalográficos (110) Al
2 O
3 // (110) Mo // (011) Ru.
El enlace
epitaxial * se confirmó por difracción de rayos X (DRX) girando la muestra 360 °.
Epitaxia *: el crecimiento de un material cristalino en la superficie de otro a temperaturas más bajas.
En la imagen
1b , se ve claramente una simetría de 4 veces de los planos (110) Al
2 O
3 , y también se observa una rotación de la orientación cristalográfica del molibdeno en 35 ° desde el plano del sustrato (001).
Los gráficos
1c muestran los resultados del escaneo de difracción θ - 2θ para las cuatro muestras.
Una muestra cultivada a temperatura ambiente no mostró signos de textura. Pero las muestras de 2,5, 6 y 12 nm de espesor cultivadas a 400 ° C mostraron una fuerte textura de (110) molibdeno.
El último gráfico de este conjunto,
1d , muestra la reflectividad de rayos X de muestras texturizadas. Se reveló el grado de rugosidad para cada muestra: 0.21 nm para una muestra de 2.5 nm de espesor, 0.13 para 6 nm y 0.21 para 6 nm de espesor.
Instantáneas PREMLas imágenes obtenidas por PREM (microscopio electrónico de barrido de transmisión) mostraron una fuerte textura de las capas de molibdeno y rutenio. También se observa una distorsión de la epitaxia del rutenio, que se manifiesta en forma de un desplazamiento de (110) planos. Los investigadores creen que esta distorsión se debe a la inconsistencia de (001) molibdeno y (100) rutenio.
Propiedades magnéticasUsando un
magnetómetro de vibración * , se midieron los
bucles de histéresis * (MH) para las películas de rutenio cultivadas a alta temperatura con un espesor de 2,5, 6 y 12 nm. Las mediciones se llevaron a cabo a una temperatura de 10 K y 300 K.
El magnetómetro de vibración * es un dispositivo altamente sensible para determinar las propiedades magnéticas de varios materiales magnéticos.
Esquema de mediciones utilizando un magnetómetro de vibración.El ciclo de histéresis * es una curva que representa el curso de la dependencia de la magnetización en la fuerza del campo externo. El área del bucle muestra las fuerzas requeridas para la inversión de magnetización.
Para una muestra de 2.5 nm de espesor, las mediciones mostraron propiedades ferromagnéticas pronunciadas. M
s a una temperatura de 10 K fue de 160 emu / cm
-3 , y a una temperatura de 300 K - 148 emu / cm
-3 . Dado que los cálculos de M
s se llevaron a cabo teniendo en cuenta el hecho de que toda el área de la película de rutenio es magnética, se reveló la relación entre el espesor de la película y la fuerza de magnetización. Cuanto más gruesa es la película, más débil es la magnetización.
| Muestra Sub \ Mo (20) \ Ru (X) | 2.5 nm | 6 nm | 12 nm | Muestra de control | Total en todas las muestras |
|---|
| Hecho | 5 5 | 5 5 | 2 | 5 5 | 12 |
| FM | 4 4 | 5 5 | 2 | 0 0 | 11 |
| FM M vs. H | 30 | 21 | 4 4 | 5 5 | 55 |
Medición del magnetómetro de vibración:
- Hecho: el número de muestras realizadas;
- FM: el número de muestras que muestran propiedades ferromagnéticas;
- FM M vs. H es el número de bucles de histéresis.
Como se puede ver en la tabla, las muestras de 2.5 nm y 6 nm de espesor muestran resultados similares. En base a esto, se calculó el valor de magnetización promedio para estas muestras (en los cálculos se tomaron en cuenta todas las muestras de estos espesores) - 141 emu / cm
-3 . El valor aproximado de la
fuerza coercitiva * para todas las muestras fue de 130 Oe (kA / m).
La fuerza coercitiva * es un indicador de la intensidad del campo magnético requerida para la desmagnetización completa de una sustancia ferromagnética (o ferrimagnética).
También era necesario excluir la posible "contaminación" de las muestras, es decir, la posibilidad de la influencia externa de algo en la muestra, lo que podría distorsionar los indicadores de medición. En primer lugar, se comprobó el soporte de la muestra para esto (parte del dispositivo de medición donde se coloca la muestra para su fijación). Después de cada medición de cada muestra, se comprobó la presencia de una señal paramagnética en el soporte. Y para refinar aún más los resultados de la prueba, las mediciones de las muestras se repitieron utilizando otros soportes.
Las muestras sin cristalografía se sometieron a otra prueba para confirmar el hecho de que la capa de rutenio texturizada es responsable de la manifestación de las características ferromagnéticas. Esta prueba, afortunadamente para los investigadores, también fue exitosa.
También se analizó una muestra texturizada de molibdeno cultivado en Al
2 O
3 a una temperatura de 400 ° C sin aplicar una capa de rutenio y no mostró propiedades ferromagnéticas. Por lo tanto, se dejaron de lado las dudas de que el molibdeno o el proceso de tratamiento térmico podrían de alguna manera "contaminar" las muestras de prueba, distorsionando las mediciones reales.
Para medir los indicadores al cambiar a temperatura ambiente, se usó una muestra de 6 nm de espesor. La base de esta medición fue
la resistencia Hall * , expresada en función del campo externo (Hz). Para esto,
se utilizó el
método van der Pauw * .
Efecto Hall *: el fenómeno de la aparición de una diferencia de potencial transversal al colocar un conductor con corriente continua en un campo magnético.
El método van der Pauw * es un método de cuatro sondas para medir el coeficiente de Hall. Es muy difícil de implementar, porque para su aplicación se deben implementar ciertas condiciones:
- la muestra debe ser plana y uniforme en espesor, que debe ser menor que su ancho y largo;
- la muestra debe ser homogénea (de composición uniforme);
- la muestra debe ser isotópica (en toda el área, sus propiedades físicas deben ser las mismas);
- todos los contactos óhmicos (entre el metal y el semiconductor) deben ubicarse en los bordes de la muestra (o lo más cerca posible de ellos);
- El área de cada contacto debe ser un orden de magnitud menor que el área total de la muestra.
Este cuadro es muy indicativo. Vemos la magnetorresistencia (R
Hall ) y el efecto Hall (H) para películas Mo / Ru con textura (línea azul) y sin textura (línea negra). Una muestra de Al
2 O
3 / Mo / Ru, que no tiene una textura cristalográfica, demuestra solo el efecto Hall ordinario. Sin embargo, la muestra texturizada exhibe un efecto Hall anómalo más allá de lo habitual. Dado que esta muestra no tiene un eje perpendicular, la resistencia cambia tan pronto como el campo es lo suficientemente fuerte como para conducir a la saturación del campo de desmagnetización 4πM
s , donde M
s es aproximadamente igual a ~ 318 emu / cm
-3 .
Resultados de los investigadores y planes futurosLos científicos tomaron un largo trabajo minucioso de 2 años, lo que resultó en evidencia de que en el mundo no solo hay tres elementos con propiedades ferromagnéticas a temperatura ambiente.
Esto es lo que dice el profesor Wang, uno de los gerentes de proyecto sobre esto:
Fue emocionante pero desafiante. Nos llevó 2 años encontrar la forma correcta de cultivar este material y confirmar sus propiedades. Este trabajo provocará que todos los demás investigadores del magnetismo comiencen a buscar los aspectos fundamentales del magnetismo en elementos conocidos.
Este estudio rápidamente se interesó en Intel, que quiere desarrollarlo aún más. Y no en vano, porque muchos científicos creen que la capacidad de manipular las propiedades de las sustancias a nivel atómico es un componente increíblemente importante de los descubrimientos futuros que pueden iniciar una revolución en varios sectores de la vida humana, en particular en el campo del almacenamiento y procesamiento de datos.
Lo que antes era solo una teoría comienza a tomar forma. Y todo esto sucede gracias a las mentes inquisitivas de los científicos que no quieren aceptar el mundo que los rodea como lo describieron sus predecesores. Hacer preguntas, deambular en busca de la verdad, estudiar lo que, como, se ha estudiado durante mucho tiempo, la única forma de lograr el resultado. Y los científicos de este proyecto lo alcanzaron.
Le recomiendo que se familiarice con la fuente y la inspiración de este artículo: un informe de científicosLas adiciones a los estudios (gráficos y tablas) se pueden encontrar aquí.Gracias por quedarte con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver más materiales interesantes?
Apóyenos haciendo un pedido o recomendándolo a sus amigos, un
descuento del 30% para los usuarios de Habr en un análogo único de servidores de nivel de entrada que inventamos para usted: toda la verdad sobre VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps de $ 20 o cómo dividir el servidor? (las opciones están disponibles con RAID1 y RAID10, hasta 24 núcleos y hasta 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 veces más barato? Solo tenemos
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV desde $ 249 en los Países Bajos y los EE. UU. Lea sobre
Cómo construir un edificio de infraestructura. clase utilizando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 que cuestan 9,000 euros por un centavo?