Ruthenium (Ru) - elemen keempat dengan sifat feromagnetik pada suhu kamar

Ruthenium (Ru) - elemen keempat dengan sifat feromagnetik pada suhu kamar



Kami akrab dengan tabel periodik dari bangku sekolah. Selama bertahun-tahun penelitian dan penelitian, elemen-elemen baru muncul di dalamnya. Tetapi mereka yang telah lama mengambil tempat kehormatan mereka di meja dapat menunjukkan sesuatu yang baru. Para peneliti dari University of Minnesota berhasil membuktikan bahwa unsur nomor 44 - rutenium - memiliki sifat magnetik yang sangat luar biasa. Seberapa pentingkah penemuan ini bagi dunia sains dan teknologi? Bagaimana Anda menemukan properti tersembunyi dari elemen yang sudah dikenal? Dan mengapa pencarian ini diselenggarakan pada awalnya? Kami akan mencoba mencari jawaban untuk pertanyaan-pertanyaan ini. Ayo pergi.

Apa itu Ru?

Pertama, ada baiknya mengenal protagonis utama dari acara ini, ruthenium. Ini adalah elemen dari kelompok kedelapan dari periode kelima dengan nomor atom 44. Ini adalah logam transisi. Dalam atom unsur-unsur tersebut, elektron muncul pada orbital f dan d * .

Orbital atom * adalah fungsi psi satu elektron (dalam mekanika kuantum menggambarkan keadaan murni suatu sistem), yang diperoleh sebagai hasil penyelesaian persamaan Schrödinger untuk atom tertentu.

Gambar menunjukkan bentuk dan lokasi dalam ruang orbital f (hijau) dan d (biru)

Saat berbicara tentang orbital, huruf digunakan yang berhubungan dengan nilai tertentu dari nomor kuantum orbital, yang menentukan momen kinetik (orbital) * elektron.

Momen kinetik (orbital) * - kuantitas yang menggambarkan gerakan rotasi, yaitu kombinasi nuansa seperti itu: massa benda yang berputar, distribusi massa relatif terhadap sumbu rotasi, kecepatan rotasi.

Untuk pertama kalinya, dunia belajar tentang keberadaan ruthenium pada tahun 1844 berkat Karl Klaus, seorang profesor di Universitas Kazan. Nama elemen ini sangat patriotik, karena kata " Ruthenia ", diambil sebagai dasar, diterjemahkan dari bahasa Latin sebagai " Rusia " atau " Rusia ".

Untuk mendapatkan ruthenium, perlu untuk memurnikan * platinum atau logam platinum lainnya.

Pemurnian * - pemurnian logam berat dari kotoran. Dalam kasus platinum, ini adalah pemurnian dengan melarutkan asam mineral dan mengisolasinya dari larutan menggunakan reagen.

Apa yang baru tentang ruthenium?

Fakta bahwa beberapa zat memiliki sifat magnetik, atau lebih tepatnya sifat feromagnetik, telah lama dikenal manusia. Sampai saat-saat terakhir, hanya 3 elemen dari tabel periodik yang diketahui, yang disebut feromagnet pada suhu kamar: nikel (Ni), besi (Fe) dan kobalt (Co).

Namun, penelitian baru menunjukkan bahwa daftar pendek ini akan menjadi sedikit lebih lama. Rutenium menunjukkan saturasi magnetisasi 148 emu / cm ^-3 pada suhu kamar dan 160 emu / cm ^-3 pada 10 K (-263,15 ° C). Juga terungkap bahwa sifat-sifat magnetik ini mulai berubah dengan meningkatnya ketebalan film uji ruthenium. Semakin tebal film, semakin lemah magnetisasi.

Membuat sampel untuk penelitian

Film Ruthenium setebal 2,5, 6, dan 12 nm ditanam pada substrat Al ₂ O ₃ dengan arah (1120) dengan tambahan lapisan molibdenum (Mo) setebal 20 nm. Proses penyemprotan dilakukan pada 8 titik di bawah vakum sangat tinggi pada tekanan 10 ^-8 torr di setiap titik.

Torr * - nama lain untuk unit pengukuran adalah "milimeter merkuri." Mendapat namanya untuk menghormati ahli matematika dan fisika Italia Evangelista Torricelli.

Sampel tebal 2,5 nm ditanam pada suhu kamar. Dan sampel 6 dan 12 nm tebal dipanaskan hingga 400 ° C selama anil.

Kristalografi sampel

Setelah menumbuhkan lapisan molibdenum (20 nm) dan ruthenium (2,5 nm) pada suhu kamar, sampel kontrol dibuat. Juga, sebagai sampel kontrol tambahan, pada suhu 400 °,, lapisan (110) molibdenum dengan ketebalan 20 nm dibuat pada substrat Al ₂ O ₃ , tetapi sudah tanpa rutenium.



Gambar di atas ( 1a ) menunjukkan epitaksi keluarga kristalografi pesawat (110) Al ₂ O ₃ // (110) Mo // (011) Ru. Ikatan epitaxial * dikonfirmasi oleh difraksi sinar-X (XRD) dengan memutar sampel 360 °.

Epitaxy * - pertumbuhan satu bahan kristal pada permukaan yang lain pada suhu yang lebih rendah.

Pada gambar 1b , simetri 4 kali lipat dari bidang (110) Al2O3 terlihat jelas, dan rotasi orientasi kristalografi molibdenum sebesar 35 ° dari bidang substrat (001) juga dicatat.



Grafik 1c menunjukkan hasil pemindaian difraksi θ - 2θ untuk keempat sampel.

Sampel yang tumbuh pada suhu kamar tidak menunjukkan tanda-tanda tekstur. Tetapi sampel 2,5, 6, dan 12 nm yang tumbuh pada suhu 400 ° C menunjukkan tekstur kuat (110) molibdenum.



Grafik terakhir dalam set ini - 1d - menunjukkan reflektifitas sinar-X dari sampel bertekstur. Tingkat kekasaran untuk setiap sampel terungkap: 0,21 nm untuk sampel 2,5 nm tebal, 0,13 untuk 6 nm dan 0,21 untuk 6 nm tebal.


Snapshot PREM

Gambar-gambar yang diperoleh oleh PREM (mikroskop pemindaian transmisi elektron) menunjukkan tekstur yang kuat dari lapisan molibdenum dan rutenium. Distorsi epitaksi ruthenium juga dicatat, yang memanifestasikan dirinya dalam bentuk pergeseran (110) pesawat. Para peneliti percaya bahwa distorsi ini disebabkan oleh inkonsistensi (001) molybdenum dan (100) ruthenium.

Sifat magnetik

Menggunakan magnetometer getaran * , loop histeresis * (MH) diukur untuk film ruthenium yang tumbuh pada suhu tinggi dengan ketebalan 2,5, 6, dan 12 nm. Pengukuran dilakukan pada suhu 10 K dan 300 K.

Magnetometer getaran * adalah perangkat yang sangat sensitif untuk menentukan sifat magnetik berbagai bahan magnetik.

Skema pengukuran menggunakan magnetometer getaran.

Lingkaran histeresis * adalah kurva yang menggambarkan arah ketergantungan magnet pada kekuatan medan eksternal. Area loop menampilkan gaya yang diperlukan untuk pembalikan magnetisasi.

Untuk sampel dengan tebal 2,5 nm, pengukuran menunjukkan sifat feromagnetik yang jelas. Ms pada suhu 10 K adalah 160 emu / cm ^-3 , dan pada suhu 300 K - 148 emu / cm ^-3 . Karena perhitungan M dilakukan dengan mempertimbangkan fakta bahwa seluruh area film ruthenium bersifat magnetis, hubungan antara ketebalan film dan gaya magnetisasi terungkap. Semakin tebal film, semakin lemah magnetisasi.

Contoh Sub \ Mo (20) \ Ru (X)	2,5 nm	6 nm	12 nm	Kontrol sampel	Total di semua sampel
Dibuat	5	5	2	5	12
FM	4	5	2	0	11
FM M vs. H	30	21	4	5	55

Pengukuran Getaran Magnetometer:

• Dibuat - jumlah sampel yang dibuat;
• FM - jumlah sampel yang menunjukkan sifat feromagnetik;
• FM M vs. H adalah jumlah loop histeresis.

Seperti dapat dilihat dari tabel, sampel 2,5 nm dan tebal 6 nm menunjukkan hasil yang serupa. Berdasarkan ini, nilai magnetisasi rata-rata untuk sampel ini dihitung (dalam perhitungan semua sampel ketebalan ini diperhitungkan) - 141 emu / cm ^-3 . Nilai perkiraan gaya paksaan * untuk semua sampel adalah 130 Oe (kA / m).

Gaya koersif * adalah indikator kekuatan medan magnet yang diperlukan untuk demagnetisasi lengkap dari bahan feromagnetik (atau ferrimagnetik).

Itu juga perlu untuk mengecualikan kemungkinan "kontaminasi" dari sampel, yaitu, kemungkinan pengaruh eksternal sesuatu pada sampel, yang dapat merusak indikator pengukuran. Pertama-tama, pemegang sampel diperiksa untuk ini (bagian dari alat pengukur di mana sampel ditempatkan untuk diperbaiki). Setelah setiap pengukuran masing-masing sampel, pemegang diperiksa untuk keberadaan sinyal paramagnetik. Dan untuk lebih mempertajam hasil tes, pengukuran sampel diulangi menggunakan pemegang lain.

Sampel tanpa kristalografi dikenai pengujian lain untuk mengkonfirmasi fakta bahwa lapisan rutenium bertekstur bertanggung jawab atas manifestasi karakteristik feromagnetik. Tes ini, untungnya bagi para peneliti, juga berhasil.

Sampel bertekstur molibdenum yang tumbuh pada Al ₂ O ₃ pada suhu 400 ° C juga diuji tanpa menggunakan lapisan rutenium dan tidak menunjukkan sifat feromagnetik. Dengan demikian, keraguan dikesampingkan bahwa molibdenum atau proses perlakuan panas entah bagaimana bisa "mencemari" sampel uji, mendistorsi pengukuran aktual.

Untuk mengukur indikator ketika beralih ke suhu kamar, sampel tebal 6 nm digunakan. Dasar pengukuran ini adalah resistensi Hall * , dinyatakan sebagai fungsi dari bidang eksternal (Hz). Untuk ini, metode van der Pauw * digunakan.

Efek hall * - fenomena munculnya perbedaan potensial transversal ketika menempatkan konduktor dengan arus searah dalam medan magnet.

Metode van der Pauw * adalah metode empat probe untuk mengukur koefisien Hall. Sangat sulit untuk diimplementasikan, karena untuk penerapannya kondisi tertentu harus diterapkan:

• sampel harus rata dan tebal seragam, yang harus kurang dari lebar dan panjangnya;
• sampel harus homogen (seragam dalam komposisi);
• sampel harus isotopik (di seluruh area, sifat fisiknya harus sama);
• semua kontak ohmik (antara logam dan semikonduktor) harus ditempatkan di tepi sampel (atau sedekat mungkin dengan mereka);
• luas setiap kontak haruslah urutan besarnya lebih kecil dari luas total sampel.

Bagan ini sangat indikatif. Kita melihat magnetoresistance (R _Hall ) dan efek Hall (H) untuk film Mo / Ru yang bertekstur (garis biru) dan tidak bertekstur (garis hitam). Sampel Al ₂ O ₃ / Mo / Ru, yang tidak memiliki tekstur kristalografi, hanya menunjukkan efek Hall biasa. Namun, sampel bertekstur menunjukkan efek Hall anomali di luar biasanya. Mengingat bahwa sampel ini tidak memiliki sumbu tegak lurus, resistensi berubah segera setelah bidang cukup kuat untuk menyebabkan saturasi bidang demagnetisasi 4πMs, di mana Ms kira-kira sama dengan ~ 318 emu / cm ^-3 .

Temuan Peneliti dan Rencana Masa Depan

Para ilmuwan membutuhkan 2 tahun kerja yang melelahkan, yang menghasilkan bukti bahwa di dunia tidak hanya ada tiga unsur dengan sifat feromagnetik pada suhu kamar.

Inilah yang dikatakan Profesor Wang, salah satu manajer proyek tentang ini:

Itu menyenangkan tapi menantang. Kami membutuhkan waktu 2 tahun untuk menemukan cara yang tepat untuk menumbuhkan bahan ini dan mengkonfirmasi sifat-sifatnya. Karya ini akan memprovokasi semua peneliti magnetisme lainnya untuk memulai pencarian aspek fundamental magnetisme pada elemen-elemen terkenal.

Studi ini dengan cepat menjadi tertarik pada Intel, yang ingin mengembangkannya lebih lanjut. Dan tidak sia-sia, karena banyak ilmuwan percaya bahwa kemampuan untuk memanipulasi sifat-sifat zat pada tingkat atom adalah komponen yang sangat penting dari penemuan masa depan yang dapat memulai revolusi di berbagai sektor kehidupan manusia, khususnya di bidang penyimpanan dan pemrosesan data.

Apa yang sebelumnya hanya sebuah teori mulai terbentuk. Dan semua ini terjadi berkat pikiran ingin tahu para ilmuwan yang tidak ingin menerima dunia di sekitar mereka seperti yang dijelaskan pendahulunya. Mengajukan pertanyaan, berkeliaran mencari kebenaran, mempelajari seperti apa, yang telah dipelajari sejak lama - satu-satunya cara untuk mencapai hasilnya. Dan para ilmuwan dari proyek ini mencapainya.

Saya sangat menyarankan agar Anda membiasakan diri dengan sumber dan inspirasi artikel ini - sebuah laporan oleh para ilmuwan

Tambahan untuk studi (grafik dan tabel) dapat ditemukan di sini.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?