магнитные свойства углеродных структур. обзор

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 6 УДК 621.315.592 Магнитные свойства углеродных структур Обзор © Т.Л. Макарова ¶ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получен 21 октября 2003 г. Принят к печати 1 декабря 2003 г.) Описаны магнитные свойства основных форм углерода: алмаза, графита, нанографита, нанотруб, фуллеренов. Свойства наноуглерода рассматриваются с точки зрения взаимосвязи структурного несовершенства и магнитного упорядочения. Приводятся экспериментальные результаты, описывающие высокотемпературный ферромагнетизм в углеродных структурах, а также некоторые теоретические модели, допускающие существование магнитного углерода. 1. Введение ными модификациями под общим неточным названием „аморфный углерод“, характеризующимися различным соотношением sp-, sp2 - и sp3 -гибридизованных атомов. По-видимому, справедливо в целом рассматривать углерод как полупроводниковый элемент. Появление данного обзора вызвано следующим обстоятельством. Недано появился ряд сообщений о наблюдении ферромагнитного поведения в различных твердых телах на основе фуллеренов: полимеризованных под давлением [1–4] или под воздействием света [5,6], а также в гидридах фуллерена [7]. Мы убеждены, что это лишь одно из проявлений более общего явления: ферромагнитных свойств углерода. За последние три десятка лет появилось несколько теоретических расчетов, показывающих, что особенности электронной структуры углерода могут привести к развитию ферромагнитных или сверхпроводящих корреляций, сохраняющихся до высоких температур [8]. Этому имеются и экспериментальные подтверждения, скажем, на такой классической структуре, как графит [9]. Ферромагнетизм соединений, содержащих только pи s-электроны, — очень быстро развивающаяся ветвь науки [10]. Синтезированные к настоящему времени ферромагнитные химические соединения, состоящие из легких элементов, имеют температуру Кюри не выше 36 K (до 65 K под давлением). Вместе с тем в литературе регулярно появляются сообщения о синтезе органических веществ, обладающих магнитным гистерезисом, который сохраняется до высоких температур, вплоть до 800 K [11]. Слабый ферромагнитный сигнал и невысокая воспроизводимость результатов вызывают естественный скептицизм и недоверие к углеродному происхождению эффекта, хотя каждая работа сопровождается анализом металлических примесей. Но слово „примеси“ — всего лишь ярлык, которым невозможно объяснить ни величины намагниченности, ни многочисленные зависимости магнитных свойств от степени аморфности материала, условий синтеза или последующего отжига. К элементам Периодической таблицы, которые в твердотельном состоянии являются полупроводниками, традиционно в первую очередь относят кремний и германий. Не так часто попадает в этот список их ближайший сосед по подгруппе — углерод. Слиток кремния или германия выглядит как серый кристалл с металлическим блеском. А можно ли сказать „слиток углерода“? Вещество, состоящее из углеродных атомов, может быть прозрачным, как алмаз, или серебристым, как графит, черным, как сажа, или желтым, как бездефектный кристалл фуллерита. Ни один из элементов не дает такого разнообразия электронной структуры, как углерод. Углерод с тетраэдрической пространственной структурой — диэлектрик. Плоскостная структура — полуметалл с незначительным перекрытием зон (около 30 мэВ) и низкой концентрацией носителей; его электропроводность измеряется в мкОм вдоль слоя и в мОм перпендикулярно слоям. Линейная форма углерода — полупроводник. Семейство сферической аллотропной модификации углерода