Ruthénium (Ru) - le quatrième élément aux propriétés ferromagnétiques à température ambiante

Ruthénium (Ru) - le quatrième élément aux propriétés ferromagnétiques à température ambiante



Nous connaissons le tableau périodique du banc d'école. Au fil des années de recherche et de recherche, de nouveaux éléments y apparaissent. Mais ceux qui ont depuis longtemps pris leur place d'honneur dans le tableau peuvent démontrer quelque chose de nouveau. Des chercheurs de l'Université du Minnesota ont réussi à prouver que l'élément chimique numéro 44 - le ruthénium - possède des propriétés magnétiques très remarquables. Quelle est l'importance de cette découverte pour le monde de la science et de la technologie? Comment avez-vous découvert les propriétés cachées d'un élément déjà connu? Et pourquoi ces recherches ont-elles été organisées au départ? Nous essaierons de trouver des réponses à ces questions. Allons-y.

Qu'est-ce que Ru?

Tout d'abord, il vaut la peine de connaître le principal protagoniste de cet événement, le ruthénium. C'est un élément du huitième groupe de la cinquième période avec le numéro atomique 44. C'est ce qu'on appelle le métal de transition. Dans les atomes de ces éléments, les électrons apparaissent sur les orbitales f et d * .

L'orbitale atomique * est une fonction psi à un électron (la mécanique quantique décrit l'état pur d'un système), obtenue à la suite de la résolution de l'équation de Schrödinger pour un atome spécifique.

L'image montre la forme et l'emplacement dans l'espace des orbitales f (vert) et d (bleu)

Quand on parle d'orbitales, on utilise des lettres qui correspondent à une certaine valeur du nombre quantique orbital, qui détermine le moment cinétique (orbital) * de l' électron.

Moment cinétique (orbital) * - une quantité qui décrit le mouvement de rotation, c'est-à-dire une combinaison de ces nuances: masse d'un corps en rotation, distribution de masse par rapport à l'axe de rotation, vitesse de rotation.

Pour la première fois, le monde a appris l'existence du ruthénium en 1844 grâce à Karl Klaus, professeur à l'Université de Kazan. Le nom de cet élément est très patriotique, puisque le mot « Ruthénie », pris comme base, est traduit du latin par « Russie » ou « Russie ».

Pour obtenir du ruthénium, il est nécessaire d' affiner * le platine ou d'autres métaux du platine.

Raffinage * - purification des métaux lourds des impuretés. Dans le cas du platine, il s'agit de purification en le dissolvant dans des acides minéraux et en l'isolant de la solution à l'aide de réactifs.

Quoi de neuf sur le ruthénium?

Le fait que certaines substances possèdent des propriétés magnétiques, ou plutôt ferromagnétiques, est connu de l'humanité depuis longtemps. Jusqu'au dernier moment, seuls 3 éléments du tableau périodique étaient connus, appelés ferromagnétiques à température ambiante: nickel (Ni), fer (Fe) et cobalt (Co).

Cependant, de nouvelles recherches ont montré que cette courte liste s'allongerait un peu. Le ruthénium a démontré une saturation de l'aimantation de 148 emu / cm ^-3 à température ambiante et 160 emu / cm ^-3 à 10 K (-263,15 ° C). Il a également été révélé que ces propriétés magnétiques commencent à changer avec l'augmentation de l'épaisseur du film d'essai au ruthénium. Plus le film est épais, plus la magnétisation est faible.

Création d'échantillons pour la recherche

Des films de ruthénium de 2,5, 6 et 12 nm d'épaisseur ont été cultivés sur un substrat d'Al ₂ O ₃ dans le sens (1120) avec une couche supplémentaire de molybdène (Mo) de 20 nm d'épaisseur. Le processus de pulvérisation a été effectué en 8 points sous un vide ultra-élevé à une pression de 10 ^-8 torr à chaque point.

Torr * - un autre nom pour l'unité de mesure est «millimètre de mercure». A obtenu son nom en l'honneur du mathématicien et physicien italien Evangelista Torricelli.

Un échantillon de 2,5 nm d'épaisseur a été cultivé à température ambiante. Et les échantillons de 6 et 12 nm d'épaisseur ont été chauffés à 400 ° C pendant le recuit.

Cristallographie d'échantillons

Après avoir fait croître une couche de molybdène (20 nm) et de ruthénium (2,5 nm) à température ambiante, un échantillon témoin a été créé. De plus, comme échantillon témoin supplémentaire, à une température de 400 ° C, une (110) couche de molybdène de 20 nm d'épaisseur a été créée sur un substrat d'Al ₂ O ₃ , mais déjà sans ruthénium.



L'image ci-dessus ( 1a ) montre l'épitaxie des familles cristallographiques des plans (110) Al ₂ O ₃ // (110) Mo // (011) Ru. La liaison épitaxiale * a été confirmée par diffraction des rayons X (XRD) en faisant pivoter l'échantillon de 360 ​​°.

Épitaxie * - la croissance d'un matériau cristallin à la surface d'un autre à des températures plus basses.

Dans l'image 1b , la symétrie quadruple des plans (110) Al ₂ O ₃ est clairement visible, et une rotation de l'orientation cristallographique du molybdène de 35 ° par rapport au plan du substrat (001) est également notée.



Les graphiques 1c montrent les résultats du balayage de diffraction θ - 2θ pour les quatre échantillons.

Un échantillon cultivé à température ambiante n'a montré aucun signe de texturation. Mais les échantillons de 2,5, 6 et 12 nm d'épaisseur cultivés à 400 ° C ont montré une forte texturation du molybdène (110).



Le dernier graphique de cet ensemble - 1d - montre la réflectivité aux rayons X des échantillons texturés. Le degré de rugosité de chaque échantillon a été révélé: 0,21 nm pour un échantillon de 2,5 nm d'épaisseur, 0,13 pour 6 nm et 0,21 pour 6 nm d'épaisseur.


Instantanés PREM

Les images obtenues par PREM (microscope électronique à balayage à transmission) ont montré une forte texturation des couches de molybdène et de ruthénium. On note également une distorsion de l'épitaxie au ruthénium, qui se manifeste sous la forme d'un décalage de (110) plans. Les chercheurs pensent que cette distorsion est due à l'incohérence du (001) molybdène et (100) du ruthénium.

Propriétés magnétiques

À l'aide d'un magnétomètre à vibration * , les boucles d'hystérésis * (MH) ont été mesurées pour les films de ruthénium cultivés à haute température avec une épaisseur de 2,5, 6 et 12 nm. Les mesures ont été effectuées à une température de 10 K et 300 K.

Le magnétomètre à vibrations * est un appareil très sensible pour déterminer les propriétés magnétiques de divers matériaux magnétiques.

Schéma de mesures utilisant un magnétomètre à vibrations.

La boucle d'hystérésis * est une courbe illustrant l'évolution de la dépendance de l'aimantation à la force du champ externe. La zone de boucle affiche les forces requises pour l'inversion de l'aimantation.

Pour un échantillon de 2,5 nm d'épaisseur, les mesures ont montré des propriétés ferromagnétiques prononcées. M _s à une température de 10 K était de 160 emu / cm ^-3 , et à une température de 300 K - 148 emu / cm ^-3 . Comme les calculs de M _s ont été effectués en tenant compte du fait que toute la zone du film de ruthénium est magnétique, la relation entre l'épaisseur du film et la force de magnétisation a été révélée. Plus le film est épais, plus la magnétisation est faible.

Échantillon Sub \ Mo (20) \ Ru (X)	2,5 nm	6 nm	12 nm	Échantillon témoin	Total sur tous les échantillons
Fabriqué	5	5	2	5	12
FM	4	5	2	0	11
FM M vs. H	30	21	4	5	55

Magnétomètre de vibration de mesure:

• Made - le nombre d'échantillons effectués;
• FM - le nombre d'échantillons présentant des propriétés ferromagnétiques;
• FM M vs. H est le nombre de boucles d'hystérésis.

Comme le montre le tableau, les échantillons de 2,5 nm et 6 nm d'épaisseur montrent des résultats similaires. Sur cette base, la valeur moyenne de magnétisation de ces échantillons a été calculée (dans les calculs, tous les échantillons de ces épaisseurs ont été pris en compte) - 141 emu / cm ^-3 . La valeur approximative de la force coercitive * pour tous les échantillons était de 130 Oe (kA / m).

La force coercitive * est un indicateur de l'intensité du champ magnétique nécessaire à la démagnétisation complète d'une substance ferromagnétique (ou ferrimagnétique).

Il fallait également exclure une éventuelle «contamination» des échantillons, c'est-à-dire la possibilité d'une influence externe de quelque chose sur l'échantillon, qui pourrait fausser les indicateurs de mesure. Tout d'abord, le porte-échantillon a été vérifié pour cela (partie de l'appareil de mesure où l'échantillon est placé pour la fixation). Après chaque mesure de chaque échantillon, le support a été vérifié pour la présence d'un signal paramagnétique. Et pour affiner davantage les résultats des tests, les mesures des échantillons ont été répétées en utilisant d'autres supports.

Des échantillons sans cristallographie ont été soumis à un autre test afin de confirmer le fait que la couche de ruthénium texturée est responsable de la manifestation des caractéristiques ferromagnétiques. Ce test, heureusement pour les chercheurs, a également été un succès.

Un échantillon texturé de molybdène cultivé sur Al ₂ O ₃ à une température de 400 ° C a également été testé sans application d'une couche de ruthénium et n'a montré aucune propriété ferromagnétique. Ainsi, des doutes ont été mis de côté quant au fait que le molybdène ou le processus de traitement thermique pourraient en quelque sorte «contaminer» les échantillons d'essai, faussant les mesures réelles.

Afin de mesurer les indicateurs lors du passage à la température ambiante, un échantillon de 6 nm d'épaisseur a été utilisé. La base de cette mesure était la résistance Hall * , exprimée en fonction du champ externe (Hz). Pour cela, la méthode van der Pauw * a été utilisée.

Effet Hall * - phénomène d'apparition d'une différence de potentiel transversale lors de la mise en place d'un conducteur à courant continu dans un champ magnétique.

La méthode van der Pauw * est une méthode à quatre sondes pour mesurer le coefficient de Hall. Il est très difficile à mettre en œuvre, car pour son application certaines conditions doivent être mises en œuvre:

• l'échantillon doit être plat et d'épaisseur uniforme, qui doit être inférieur à sa largeur et sa longueur;
• l'échantillon doit être homogène (composition uniforme);
• l'échantillon doit être isotopique (sur toute la zone, ses propriétés physiques doivent être les mêmes);
• tous les contacts ohmiques (entre le métal et le semi-conducteur) doivent être situés sur les bords de l'échantillon (ou aussi près que possible d'eux);
• l'aire de chaque contact doit être d'un ordre de grandeur inférieur à l'aire totale de l'échantillon.

Ce graphique est très indicatif. Nous voyons la magnétorésistance (R _Hall ) et l'effet Hall (H) pour les films Mo / Ru texturés (ligne bleue) et non texturés (ligne noire). Un échantillon d'Al ₂ O ₃ / Mo / Ru, qui n'a pas de texture cristallographique, ne montre que l'effet Hall ordinaire. Cependant, l'échantillon texturé présente un effet Hall anormal au-delà de l'habituel. Étant donné que cet échantillon n'a pas d'axe perpendiculaire, la résistance change dès que le champ est suffisamment fort pour conduire à la saturation du champ de démagnétisation 4πM _s , où M _{s est} approximativement égal à ~ 318 emu / cm ^-3 .

Résultats des chercheurs et plans futurs

Les scientifiques ont pris 2 ans de travail minutieux, ce qui a permis de prouver que dans le monde, il n'y a pas seulement trois éléments ayant des propriétés ferromagnétiques à température ambiante.

Voici ce qu'en dit le professeur Wang, l'un des chefs de projet:

C'était excitant mais difficile. Il nous a fallu 2 ans pour trouver la bonne façon de cultiver ce matériau et confirmer ses propriétés. Ce travail incitera tous les autres chercheurs du magnétisme à commencer la recherche des aspects fondamentaux du magnétisme dans des éléments bien connus.

Cette étude s'est rapidement intéressée à Intel, qui souhaite la développer davantage. Et pas en vain, car de nombreux scientifiques pensent que la capacité de manipuler les propriétés des substances au niveau atomique est une composante extrêmement importante des découvertes futures qui peuvent déclencher une révolution dans divers secteurs de la vie humaine, en particulier dans le domaine du stockage et du traitement des données.

Ce qui n'était auparavant qu'une théorie commence à prendre forme. Et tout cela se produit grâce à l'esprit curieux des scientifiques qui ne veulent pas accepter le monde qui les entoure comme l'ont décrit ses prédécesseurs. Poser des questions, errer à la recherche de la vérité, étudier ce qui, comme, a été étudié depuis longtemps - le seul moyen d'atteindre le résultat. Et les scientifiques de ce projet l'ont atteint.

Je vous recommande fortement de vous familiariser avec la source et l'inspiration de cet article - un rapport de scientifiques

Des ajouts aux études (graphiques et tableaux) sont disponibles ici.

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