Rutênio (Ru) - o quarto elemento com propriedades ferromagnéticas à temperatura ambiente

Rutênio (Ru) - o quarto elemento com propriedades ferromagnéticas à temperatura ambiente



Estamos familiarizados com a tabela periódica do banco da escola. Ao longo dos anos de pesquisa e pesquisa, novos elementos aparecem nela. Mas aqueles que há muito ocupam seu lugar de honra na mesa podem demonstrar algo novo. Pesquisadores da Universidade de Minnesota conseguiram provar que o elemento químico número 44 - rutênio - tem propriedades magnéticas muito notáveis. Quão importante é essa descoberta para o mundo da ciência e da tecnologia? Como você descobriu as propriedades ocultas de um elemento já conhecido? E por que essas pesquisas foram organizadas inicialmente? Vamos tentar encontrar respostas para essas perguntas. Vamos lá

O que é Ru?

Primeiro, vale a pena conhecer o principal protagonista deste evento, o rutênio. Este é um elemento do oitavo grupo do quinto período com número atômico 44. É o chamado metal de transição. Nos átomos de tais elementos, os elétrons aparecem nos orbitais f e d * .

O orbital atômico * é uma função psi de um elétron (na mecânica quântica descreve o estado puro de um sistema), obtido como resultado da solução da equação de Schrödinger para um átomo específico.

A imagem mostra a forma e a localização no espaço dos orbitais f (verde) ed (azul)

Quando se fala em orbitais, são usadas letras que correspondem a um determinado valor do número quântico orbital, que determina o momento cinético (orbital) * do elétron.

Momento cinético (orbital) * - uma quantidade que descreve o movimento rotacional, ou seja, uma combinação de tais nuances: massa de um corpo em rotação, distribuição de massa em relação ao eixo de rotação, velocidade de rotação.

Pela primeira vez, o mundo aprendeu sobre a existência do rutênio em 1844, graças a Karl Klaus, professor da Universidade de Kazan. O nome desse elemento é muito patriótico, pois a palavra " Rutênia ", tomada como base, é traduzida do latim como " Rússia " ou " Rússia ".

Para obter rutênio, é necessário refinar * a platina ou outros metais da platina.

Refinação * - purificação de metais pesados ​​a partir de impurezas. No caso da platina, isso é purificado dissolvendo em ácidos minerais e isolando-o da solução usando reagentes.

O que há de novo no rutênio?

O fato de algumas substâncias terem propriedades magnéticas, ou melhor, ferromagnéticas, a humanidade conhece há muito tempo. Até o último momento, apenas três elementos da tabela periódica eram conhecidos, chamados ferromagnetos à temperatura ambiente: níquel (Ni), ferro (Fe) e cobalto (Co).

No entanto, novas pesquisas mostraram que essa pequena lista ficará um pouco mais longa. O rutênio demonstrou uma saturação de magnetização de 148 emu / cm ^-3 à temperatura ambiente e 160 emu / cm ^-3 a 10 K (-263,15 ° C). Também foi revelado que essas propriedades magnéticas começam a mudar com o aumento da espessura do filme de teste de rutênio. Quanto mais espessa a película, mais fraca a magnetização.

Criando amostras para pesquisa

Filmes de rutênio com 2,5, 6 e 12 nm de espessura foram crescidos em um substrato de Al ₂ O ₃ na direção (1120) com uma camada adicional de molibdênio (Mo) com 20 nm de espessura. O processo de pulverização foi realizado em 8 pontos sob vácuo ultra-alto a uma pressão de 10 ^-8 torr em cada ponto.

Torr * - outro nome para a unidade de medida é "milímetro de mercúrio". Recebeu seu nome em homenagem ao matemático e físico italiano Evangelista Torricelli.

Uma amostra de 2,5 nm de espessura foi cultivada à temperatura ambiente. E amostras de 6 e 12 nm de espessura foram aquecidas a 400 ° C durante o recozimento.

Cristalografia de amostras

Tendo crescido uma camada de molibdênio (20 nm) e rutênio (2,5 nm) à temperatura ambiente, uma amostra de controle foi criada. Além disso, como uma amostra de controle adicional, a uma temperatura de 400 ° C, uma camada (110) de molibdênio de 20 nm de espessura foi criada em um substrato de Al ₂ O ₃ , mas já sem rutênio.



A imagem acima ( 1a ) demonstra a epitaxia das famílias cristalográficas dos planos (110) Al2O3 // (110) Mo // (011) Ru. A ligação epitaxial * foi confirmada por difração de raios X (DRX), girando a amostra em 360 °.

Epitaxia * - o crescimento de um material cristalino na superfície de outro a temperaturas mais baixas.

Na imagem 1b , é claramente visível uma simetria de quatro vezes (110) Al2O3 e também é observada uma rotação da orientação cristalográfica do molibdênio em 35 ° em relação ao plano do substrato (001).



Os gráficos 1c mostram os resultados da varredura de difração θ - 2θ para todas as quatro amostras.

Uma amostra cultivada em temperatura ambiente não mostrou sinais de texturização. Porém, as amostras de 2,5, 6 e 12 nm de espessura, cultivadas a 400 ° C, apresentaram forte textura de (110) molibdênio.



O último gráfico deste conjunto - 1d - mostra a refletividade dos raios X das amostras texturizadas. O grau de rugosidade de cada amostra foi revelado: 0,21 nm para uma amostra de 2,5 nm de espessura, 0,13 para 6 nm e 0,21 para 6 nm de espessura.


Instantâneos PREM

As imagens obtidas pelo PREM (microscópio eletrônico de varredura por transmissão) mostraram uma forte texturização das camadas de molibdênio e rutênio. Também é observada uma distorção da epitaxia do rutênio, que se manifesta na forma de uma mudança de (110) planos. Os pesquisadores acreditam que essa distorção se deve à inconsistência de (001) molibdênio e (100) rutênio.

Propriedades magnéticas

Usando um magnetômetro de vibração * , medições de histerese * (MH) foram medidas para filmes de rutênio crescidos em alta temperatura com uma espessura de 2,5, 6 e 12 nm. As medições foram realizadas nas temperaturas de 10 K e 300 K.

O magnetômetro de vibração * é um dispositivo altamente sensível para determinar as propriedades magnéticas de vários materiais magnéticos.

Esquema de medições usando um magnetômetro de vibração.

O loop de histerese * é uma curva que representa o curso da dependência da magnetização da força do campo externo. A área do loop exibe as forças necessárias para a reversão da magnetização.

Para uma amostra de 2,5 nm de espessura, as medidas mostraram propriedades ferromagnéticas pronunciadas. M _s a uma temperatura de 10 K foi de 160 emu / cm ^-3 e a uma temperatura de 300 K - 148 emu / cm ^-3 . Como os cálculos de M _s foram realizados levando em consideração o fato de que toda a área do filme de rutênio é magnética, a relação entre a espessura do filme e a força de magnetização foi revelada. Quanto mais espessa a película, mais fraca a magnetização.

Amostra Sub \ Mo (20) \ Ru (X)	2,5 nm	6 nm	12 nm	Amostra de controle	Total em todas as amostras
Feito	5	5	2	5	12
FM	4	5	2	0 0	11
FM M vs. H	30	21	4	5	55

Magnetômetro de vibração de medição:

• Feito - o número de amostras feitas;
• FM - o número de amostras que mostram propriedades ferromagnéticas;
• FM M vs. H é o número de ciclos de histerese.

Como pode ser visto na tabela, as amostras com 2,5 nm e 6 nm de espessura mostram resultados semelhantes. Com base nisso, foi calculado o valor médio de magnetização para essas amostras (nos cálculos foram consideradas todas as amostras dessas espessuras) - 141 emu / cm ^-3 . O valor aproximado da força coercitiva * para todas as amostras foi de 130 Oe (kA / m).

Força coercitiva * é um indicador da força do campo magnético necessário para a desmagnetização completa de uma substância ferromagnética (ou ferrimagnética).

Também foi necessário excluir a possível “contaminação” das amostras, ou seja, a possibilidade de influência externa de algo na amostra, o que poderia distorcer os indicadores de medição. Antes de tudo, o suporte da amostra foi verificado quanto a isso (parte do dispositivo de medição onde a amostra é colocada para fixação). Após cada medição de cada amostra, o suporte foi verificado quanto à presença de um sinal paramagnético. E para refinar ainda mais os resultados dos testes, as medições das amostras foram repetidas usando outros suportes.

As amostras sem cristalografia foram submetidas a outro teste para confirmar o fato de que a camada texturizada de rutênio é responsável pela manifestação das características ferromagnéticas. Este teste, felizmente para os pesquisadores, também foi bem-sucedido.

Uma amostra texturizada de molibdênio cultivada em Al ₂ O ₃ a uma temperatura de 400 ° C também foi testada sem a aplicação de uma camada de rutênio e não mostrou propriedades ferromagnéticas. Assim, foram postas dúvidas de que o molibdênio ou o processo de tratamento térmico poderiam "contaminar" as amostras de teste, distorcendo as medidas reais.

Para medir os indicadores ao mudar para a temperatura ambiente, foi utilizada uma amostra de 6 nm de espessura. A base desta medida foi a resistência de Hall * , expressa em função do campo externo (Hz). Para isso, foi utilizado o método van der Pauw * .

Efeito Hall * - o fenômeno do aparecimento de uma diferença de potencial transversal ao colocar um condutor com corrente direta em um campo magnético.

O método van der Pauw * é um método de quatro sondas para medir o coeficiente de Hall. É muito difícil de implementar, porque para sua aplicação, certas condições devem ser implementadas:

• a amostra deve ser plana e uniforme em espessura, que deve ser menor que sua largura e comprimento;
• a amostra deve ser homogênea (composição uniforme);
• a amostra deve ser isotópica (em toda a área, suas propriedades físicas devem ser as mesmas);
• todos os contatos ôhmicos (entre o metal e o semicondutor) devem estar localizados nas bordas da amostra (ou o mais próximo possível deles);
• a área de cada contato deve ser uma ordem de magnitude menor que a área total da amostra.

Este gráfico é muito indicativo. Vemos a magnetoresistência (R _Hall ) e o efeito Hall (H) para filmes Mo / Ru texturizados (linha azul) e não texturizados (linha preta). Uma amostra de Al ₂ O ₃ / Mo / Ru, que não possui textura cristalográfica, demonstra apenas o efeito Hall comum. No entanto, a amostra texturizada exibe um efeito anômalo de Hall além do usual. Dado que esta amostra não possui um eixo perpendicular, a resistência muda assim que o campo é forte o suficiente para levar à saturação do campo desmagnetizador 4πM _s , onde M _{s é} aproximadamente igual a ~ 318 emu / cm ^-3 .

Resultados dos pesquisadores e planos futuros

Os cientistas realizaram longos 2 anos de trabalho meticuloso, o que resultou em evidências de que no mundo não existem apenas três elementos com propriedades ferromagnéticas à temperatura ambiente.

Aqui está o que o professor Wang, um dos gerentes de projeto, diz sobre isso:

Foi emocionante, mas desafiador. Levamos dois anos para encontrar o caminho certo para cultivar esse material e confirmar suas propriedades. Este trabalho fará com que todos os outros pesquisadores do magnetismo iniciem a busca pelos aspectos fundamentais do magnetismo em elementos conhecidos.

Este estudo rapidamente se interessou pela Intel, que deseja desenvolvê-lo ainda mais. E não em vão, porque muitos cientistas acreditam que a capacidade de manipular as propriedades de substâncias no nível atômico é um componente incrivelmente importante de descobertas futuras que podem iniciar uma revolução em vários setores da vida humana, em particular no campo de armazenamento e processamento de dados.

O que antes era apenas uma teoria começa a tomar forma. E tudo isso acontece graças às mentes curiosas de cientistas que não querem aceitar o mundo ao seu redor como seus predecessores o descreveram. Fazer perguntas, vagando em busca da verdade, estudando o que, como, foi estudado por um longo tempo - a única maneira de alcançar o resultado. E os cientistas deste projeto o alcançaram.

Eu recomendo fortemente que você se familiarize com a fonte e a inspiração deste artigo - um relatório de cientistas

Adições a estudos (gráficos e tabelas) podem ser encontradas aqui.

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