Ist Graphit magnetisch?

Es wurde bestätigt, dass Graphit bei Raumtemperatur nicht magnetisch ist, da er in Schichten angeordnete Kohlenstoffatome enthält.

Dennoch verfügt Graphit über verschiedene interessante Eigenschaften, einschließlich seiner elektrischen Leitfähigkeit, ähnlich wie magnetische Materialien.

Graphit vs. Diamagnetismus

Struktur für Graphit
Struktur für Graphit

Materialien, die dazu neigen, ein äußeres Magnetfeld abzustoßen, werden als diamagnetisch bezeichnet. Die Abstoßung entsteht durch die Bewegung von Elektronen im Inneren des Materials, die durch ein Feld hervorgerufen wird, das sein eigenes kleines entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt. Diamagnetismus ist keine Eigenschaft, die nur Graphit aufweist.

Graphite ist eine allotrope Form von Kohlenstoff mit einer Schichtstruktur. Aufgrund der Struktur seiner Elektronen verhält sich Graphit wie diamagnetische Materialien.

Seine einzigartige Schichtstruktur und die schwache Bindung zwischen den Schichten spielen eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung der gesamten magnetischen Reaktion des Materials.

Diamagnetische Materialien
Diamagnetische Materialien

Faktoren, die den Graphitmagnetismus beeinflussen

Zwischenschichtkopplung (sechseckige Gitterstruktur)

Die einzelnen Graphenschichten im Graphit sind leicht diamagnetisch. Sie werden feststellen, dass es eine leichte Abstoßung gegenüber Magnetfeldern gibt. Doch die Art und Weise, wie diese Schichten gestapelt werden, ist entscheidend.

Die Schichten sind durch schwache Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden und ihre relative Ausrichtung und ihr Abstand können ihre gegenseitige magnetische Wechselwirkung beeinflussen.

Verunreinigungen (Doping und Defekte)

Die elektronische Struktur von Graphen und seine magnetischen Eigenschaften können durch das Einbringen von Atomen (Dotierstoffen) oder die Erzeugung struktureller Defekte verändert werden.

Durch den Ersatz eines oder mehrerer Kohlenstoffatome durch Elemente wie Bor oder Stickstoff erhält das System ungepaarte Elektronen.

Dies macht es anfällig für Ferromagnetismus (wobei alle seine magnetischen Momente in eine einzige Richtung ausgerichtet sind).

 Externes Magnetfeld

Es zeigt sich, dass selbst reiner Graphit ohne Dotierstoffe oder Defekte durch Anlegen eines externen Magnetfelds dazu gebracht werden kann, ein Magnet zu werden. Wenn in jedem Element eine Schicht vorhanden ist, kann die Feldausrichtung die Bohrschichten ausrichten und eine makroskopische Nettomagnetisierung erzeugen.

Temperaturschwankungen

Der Magnetismus von Graphit wird stark von der Temperatur beeinflusst. Durch die Temperatur ändert sich die kinetische Energie seiner Elektronen.

Gleichzeitig verändert es ihre Beweglichkeit, was zu einer Änderung der magnetischen Eigenschaften führt. Der Einfluss der Temperatur hilft, die Natur und Veränderlichkeit des Graphitmagnetismus zu erklären.

Struktur von Graphit und Auswirkungen auf den Magnetismus

Wabenschichten

Die Graphenschichten ähneln Bienenwaben, mit Kohlenstoffatomen in einer engen sp2-Hybridstruktur, die innerhalb jeder Schicht starke Bindungen bilden.

Diese Bindungen machen Graphit zu einem guten Leiter und schränken die Bewegung von Elektronen über Ebenen senkrecht zu ihrer Richtung ein. Diese begrenzte Bewegung ist ein Schlüsselfaktor, um zu verhindern, dass Schichten zu stark magnetisch interagieren.

Schwache Bindung zwischen den Schichten

Graphenschichten stapeln sich übereinander und werden durch schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen verbunden. Da die sp2-Bindungen in der Ebene viel stärker sind als diese Kräfte zwischen den Schichten, gibt es nur sehr geringe elektronische Wechselwirkungen zwischen den Schichten.

Durch diese schwache Kopplung behält jede Schicht ihren grundlegenden Diamagnetismus bei, einen leichten Widerstand gegenüber Magnetfeldern. Doch die relative Positionierung dieser Schichten beeinflusst ihre gesamte magnetische Reaktion.

Stapelordnung und Magnetismus

Diese magnetische Wechselwirkung zwischen den Schichten hängt von der Stapelreihenfolge der Schichten in Graphenstapeln ab.

Wenn zwei Schichten auf der Bernal-Stapelung einen entgegengesetzt ausgerichteten Diamagnetismus aufweisen, ist der Effekt antiferromagnetisch (die Gesamtmagnetisierung hebt sich auf).

Der Tanz kann mit anderen möglichen Stapelmustern modifiziert werden, was aufgrund winziger Änderungen, die die Elektronendelokalisierung zwischen Schichten beeinflussen, zu schwachem Ferromagnetismus oder exotischen magnetischen Phänomenen führt.

Kanteneffekte und Defekte

Schließlich hinterlassen die Kanten der Graphenschichten freie Bindungen, die lokale magnetische Momente erzeugen. Diese können dann mit dem schwachen Diamagnetismus der Masse interagieren und dadurch das gesamte magnetische Verhalten beeinflussen.

Manchmal können Sie Fremdatome wie Bor oder Stickstoff hinzufügen, die ungepaarte Elektronen mitbringen, die zu einem stärkeren Ferromagnetismus beitragen.

Struktur für Graphit
Struktur für Graphit

Andere Kohlenstoffarten und ihre magnetischen Eigenschaften

Diamond

Es besteht aus einem tetraedrischen Gitter, das ihm sein Aussehen verleiht, und diese erstaunliche Eigenschaft macht es diamagnetisch.

Da jeder Kohlenstoff gleichmäßig mit allen vier Nachbarn bindet, sind die Elektronen gepaart und es gibt kein magnetisches Nettomoment.

Doch Stickstoffverunreinigungen oder andere Oberflächenunregelmäßigkeiten können ungepaarte Elektronen hinterlassen, die den Ferromagnetismus schwächen.

Fullerene

Wie die bekannten Buckyballs weisen auch diese kugel- oder zylinderförmigen Kohlenstoffkäfige Diamagnetismus auf.

Darüber hinaus erzeugt ihre geschlossenschalige elektronische Struktur nur wenige ungepaarte Elektronen. Aber durch die Verwendung magnetischer Atome zum Dotieren oder durch Anbringen eines magnetisch beweglichen Moleküls können Türen für neue Nanomagnete geöffnet werden.

Kohlenstoff-Nanoröhren

Diese eindimensionalen Wunderwerke zeigen unterschiedliche Arten magnetischen Verhaltens unter dem Einfluss von Variationen in Chiralität und Durchmesser.

Die metallischen Nanoröhren sind diamagnetisch, die halbleitenden können jedoch paramagnetisch sein, wenn sie ungepaarte Elektronen in ihrer Bandstruktur aufweisen.

Das Hinzufügen von Defekten oder Verunreinigungen kann zu Ferromagnetismus oder Antiferromagnetismus führen, was sie zu hervorragenden Kandidaten für die Spintronik macht.

Amorpher Kohlenstoff

In dieser ungeordneten Form, die Ruß und Holzkohle enthält, ist die Elektronenstruktur randomisiert und delokalisiert; Es gibt wenig oder keinen Diamagnetismus.

Wenn Verunreinigungen oder Defekte vorhanden sind, werden lokalisierte magnetische Momente eingeführt, die dazu führen, dass diese Materialien ein sehr komplexes Verhalten aufweisen.

Graphene

Obwohl sie Graphit genauso ähnlich sind, weisen unabhängig voneinander gebildete Graphenschichten einen ungewöhnlichen Quantenmagnetismus auf.

Dies liegt daran, dass sie zweidimensional sind und verstärkte Elektron-Elektron-Wechselwirkungen aufweisen. Dies eröffnet neue Wege zur Erforschung des exotischen Magnetismus auf atomarer Ebene.

Konklusion

Dies ist nur ein kleiner Einblick in die faszinierende Welt des Kohlenstoffmagnetismus. Durch kontinuierliche Forschung und Erkundung können wir faszinierende magnetische Geheimnisse entdecken.

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