钌（Ru）-在室温下具有铁磁性的第四种元素

钌（Ru）-在室温下具有铁磁性的第四种元素



我们熟悉学校长凳上的周期表。 经过多年的研究，新元素不断涌现。 但是那些长期在表中占据荣誉的人可以展示一些新东西。 明尼苏达大学的研究人员设法证明，第44号化学元素-钌-具有非常出色的磁性能。 这一发现对科学技术世界有多重要？ 您如何发现已知元素的隐藏属性？ 为何这些搜索最初要组织起来？ 我们将尝试找到这些问题的答案。 走吧

什么是茹？

首先，有必要了解这一事件的主要主角钌。 这是第五个周期的第八族的原子序数为44的元素。它是所谓的过渡金属。 在这些元素的原子中，电子出现在f和d 轨道*上 。

原子轨道*是单电子psi函数（在量子力学中描述了系统的纯态），是通过求解特定原子的薛定er方程而获得的。

该图显示了f（绿色）和d（蓝色）轨道的形状和位置

在谈论轨道时，使用与轨道量子数的某个值相对应的字母，从而确定电子的动力学（轨道）矩* 。

动量（轨道）*-描述旋转运动的量，即以下细微差别的组合：旋转体的质量，相对于旋转轴的质量分布，转速。

喀山大学教授卡尔·克劳斯（Karl Klaus）首次在1844年使世界了解了钌的存在。 该元素的名称非常爱国，因为以“ Ruthenia ”一词为基础，从拉丁语翻译为“ 俄罗斯 ”或“ 俄罗斯 ”。

为了获得钌，必须提纯*铂或其他铂金属。

精炼*-从杂质中纯化重金属。 对于铂，这是通过溶解在无机酸中并使用试剂将其与溶液分离来进行纯化。

钌有什么新变化？

某些物质具有磁性或相当铁磁性的事实是人类很久以来就知道的。 直到最后一刻，元素周期表中只有3种元素（在室温下称为铁磁体）是已知的：镍（Ni），铁（Fe）和钴（Co）。

但是，新的研究表明，这个短名单将变得更长一些。 钌在室温下的磁化饱和度为148 emu / cm ^-3 ，在10 K（-263.15°C）下为160 emu / cm ^-3 。 还揭示出这些磁性随钌测试膜厚度的增加而开始变化。 薄膜越厚，磁化强度越弱。

创建研究样本

在Al ₂ O ₃衬底上沿（1120）方向生长厚度为2.5、6和12 nm的钌膜，并附加一个厚度为20 nm的钼（Mo）层。 在超高真空下在每个点的10 ^-8托压力下在8个点进行喷涂过程。

Torr *-度量单位的另一个名称是“毫米汞柱”。 以纪念意大利数学家和物理学家Evangelista Torricelli的名字而得名。

2.5 nm厚的样品在室温下生长。 并将样品6和12 nm厚的样品在退火过程中加热到400°C。

样品晶体学

在室温下生长钼（20 nm）和钌（2.5 nm）层后，创建了对照样品。 另外，作为另一个对照样品，在400°C的温度下，在Al ₂ O ₃衬底上已经形成了厚度为20 nm的钼（110）层，但是已经没有钌。



上图（ 1a ）展示了（110）Al ₂ O ₃ //（110）Mo //（011）Ru平面的晶体学家族的外延。 通过将样品旋转360°，通过X射线衍射（XRD）确认外延*键。

外延*-较低温度下一种晶体材料在另一种表面上的生长。

在图像1b中 ，（110）Al ₂ O ₃平面的4倍对称性清晰可见，并且钼的晶体取向也从（001）衬底平面旋转了35°。



图1c显示了所有四个样品的θ–2θ衍射扫描结果。

在室温下生长的样品没有显示出纹理的迹象。 但是在400°C下生长的2.5、6和12 nm厚的样品显示出（110）钼的强烈变形。



该组中的最后一张图-1d-显示了纹理样品的X射线反射率。 揭示出每个样品的粗糙度：对于2.5nm厚的样品，为0.21nm，对于6nm厚为0.13，对于6nm厚为0.21。


PREM快照

通过PREM（透射扫描电子显微镜）获得的图像显示出钼和钌层的强烈纹理。 还指出了钌外延的变形，其以（110）平面偏移的形式表现出来。 研究人员认为，这种变形是由于（001）钼和（100）钌的不一致造成的。

磁性能

使用振动磁力计* ，测量在高温下生长的2.5、6和12 nm厚度的钌膜的磁滞回线* （MH）。 测量是在10 K和300 K的温度下进行的。

振动磁力计*是用于确定各种磁性材料的磁性能的高度敏感的设备。

使用振动磁力计的测量方案。

磁滞回线*是描绘磁化强度依赖于外部磁场强度的过程的曲线。 回路区域显示磁化反转所需的力。

对于2.5 nm厚的样品，测量结果显示出明显的铁磁性能。 在10 K温度下的M _s为160 emu / cm ^-3 ，在300 K温度下为148 emu / cm ^-3 。 由于考虑到钌膜的整个区域都是磁性的事实来进行M _s的计算，因此揭示了膜厚度与磁化力之间的关系。 薄膜越厚，磁化强度越弱。

样品子\ Mo（20）\ Ru（X）	2.5纳米	6纳米	12纳米	对照样品	所有样本总计
制成的	5	5	2	5	12
调频	4	5	2	0	11
FM M与 ^ h	30	21	4	5	55

测量振动磁力计：

• 制作-制作的样本数；
• FM-显示铁磁特性的样本数；
• FM M与 H是磁滞回线的数量。

从表中可以看出，厚度为2.5 nm和6 nm的样品显示出相似的结果。 基于此，计算出这些样品的平均磁化值（在计算中考虑了这些厚度的所有样品）-141 emu / cm ^-3 。 所有样品的矫顽力*的近似值为130 Oe（kA / m）。

矫顽力*是铁磁性物质（或亚铁磁性物质）完全消磁所需的磁场强度的指标。

还必须排除样品的可能“污染”，即某些东西对样品的外部影响的可能性，这可能会使测量指标失真。 首先，检查样品架（用于放置样品以固定的测量设备的一部分）。 在每个样品的每次测量之后，检查支架是否存在顺磁信号。 为了进一步完善测试结果，使用其他夹具重复测量样品。

没有晶体学的样品还要进行另一项测试，以确认纹理化的钌层是铁磁特性表现的原因。 幸运的是，这项测试对研究人员也很成功。

还测试了在400°C的温度下在Al ₂ O ₃上生长的织构钼样品，没有施加钌层，也没有显示出任何铁磁性能。 因此，人们怀疑钼或热处理工艺可能以某种方式“污染”测试样品，从而扭曲了实际测量结果。

为了在切换到室温时测量指示器，使用了6 nm厚的样品。 该测量的基础是霍尔电阻* ，它表示为外部电场（Hz）的函数。 为此，使用了van der Pauw *方法 。

霍尔效应*-在磁场中放置带有直流电的导体时出现横向电位差的现象。

范德堡法*是测量霍尔系数的四探针法。 这很难实现，因为对于其应用，必须满足某些条件：

• 样品应平坦且厚度均匀，应小于宽度和长度；
• 样品应均匀（成分均匀）；
• 样品应为同位素（在整个区域内，其物理性质应相同）；
• 所有欧姆接触（金属和半导体之间）应位于样品的边缘（或尽可能靠近它们）；
• 每个触点的面积应比样品的总面积小一个数量级。

该图表非常具有指示性。 我们看到带纹理的（蓝线）和非纹理的（黑线）Mo / Ru膜的磁阻（R _Hall ）和霍尔效应（H）。 没有晶体结构的Al ₂ O ₃ / Mo / Ru样品仅表现出普通的霍尔效应。 但是，带纹理的样品表现出超出通常的异常霍尔效应。 假设该样品不具有垂直轴，则一旦磁场足够强以导致退磁磁场4πMs饱和，电阻就会发生变化，其中M _s大约等于〜318 emu / cm ^-3 。

研究人员的发现和未来计划

科学家们花费了2年的艰苦努力，结果表明，在世界上，不仅只有三种元素在室温下具有铁磁特性。

以下是项目经理之一王教授对此的评价：

令人兴奋，但充满挑战。 我们花了两年的时间找到正确的方法来生长这种材料并确认其性能。 这项工作将激发所有其他磁性研究人员开始寻找众所周知元素中磁性的基本方面。

这项研究很快引起了英特尔的兴趣，英特尔希望进一步发展它。 而且并非徒劳，因为许多科学家认为，在原子水平上操纵物质特性的能力是未来发现中不可思议的重要组成部分，它可以在人类生活的各个领域引发一场革命，尤其是在数据存储和处理领域。

以前只是一种理论而已开始形成。 所有这一切都要归功于科学家的好奇心，他们不愿像前人所描述的那样接受周围的世界。 提出问题，徘徊在寻找真相，研究类似的东西已经研究了很长时间，这是获得结果的唯一方法。 这个项目的科学家们达到了它。

我强烈建议您熟悉本文的来源和灵感-科学家的报告

可以在此处找到研究的附加内容（图形和表格）。

感谢您与我们在一起。 你喜欢我们的文章吗？ 想看更多有趣的资料吗？ 通过下订单或将其推荐给您的朋友来支持我们，为我们为您开发的入门级​​服务器的独特模拟，为Habr用户提供30％的折扣： 关于VPS（KVM）E5-2650 v4（6核）的全部真相10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps从$ 20还是如何划分服务器？ （RAID1和RAID10提供选件，最多24个内核和最大40GB DDR4）。

戴尔R730xd便宜2倍？ 仅在荷兰和美国，我们有2台Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100电视（249美元起） ！ 阅读有关如何构建基础架构大厦的信息。 使用价格为9000欧元的Dell R730xd E5-2650 v4服务器的上等课程？