Grafeen-nanorollen voor magnetische detectie

21 mei 2017, 00:00
Links: schematische weergave van een grafeen-nanorol; rechts: de directionele afhankelijkheid van de magnetoweerstand (afbeelding: Ching-Hao Chang).
Links: schematische weergave van een grafeen-nanorol; rechts: de directionele afhankelijkheid van de magnetoweerstand (afbeelding: Ching-Hao Chang).
Nanostructuren van opgerold grafeen vertonen een bijzonder grote anisotropische magnetoweerstand, een fysisch effect dat veel wordt gebruikt voor magnetische detectie, zoals in kompassen en verkeersdetectoren. Theoretische natuurkundigen in Utrecht en Dresden hebben dit effect aangetoond voor een opgerolde laag grafeen in de vorm van een buis met open uiteinden. Het effect kan daar meer dat tien keer zo hoog zijn dan in conventionele legeringen van overgangsmetalen. Het onderzoek is gefinancierd door het NWO (Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek).
Magnetische detectieapparaten maken veelal gebruik van anisotropische magnetoweerstand (AMR), een effect dat voor het eerst werd beschreven door Lord Thomson in 1857. Thomson stelde vast dat de weerstand van ferromagnetische materialen afhankelijk is van de relatieve hoek tussen de elektrische stroom en het magnetisch veld. De prestaties van AMR-detectieapparatuur hangen voor een groot deel af van de relatieve verandering tussen de maximale en minimale weerstand. Deze relatieve verandering is voor overgangsmetalen en legeringen hiervan, die veel worden gebruikt in AMR-sensoren, niet meer dan een paar procent.
Carmine Ortix (Universiteit Utrecht) voorspelde, samen met Ching-Hao Chang van het Leibniz Instituut voor Vaste Stof- en Materiaalonderzoek te Dresden, dat een gigantisch AMR-effect in een speciale nanostructuur theoretisch mogelijk is. “We onderzochten een zogenaamde koolstofnanorol, die eigenlijk niets anders is dan een opgerolde laag grafeen”, aldus Ortix. “Wanneer de koolstofnanorol in een relatief zwak magnetisch veld wordt geplaatst, treedt er een ongeëvenaard AMR-effect op van zo’n 80 percent.”
Dit komt door de bijzondere spiraalachtige kokervorm van de koolstofnanorol. De geometrie maakt de natuurlijke formatie van ‘snake orbits’ mogelijk. Dit zijn ongewone electronenbanen van ladingdragers die zich heen en weer kronkelend verplaatsen. Het aantal ‘snake orbits’ verandert afhankelijk van de richting van een extern aangebracht magnetisch veld. De anisotropische magnetoweerstand is daarom geometrisch en vereist geen magnetisme of de zogenaamde spin-baanwisselwerking, die essentieel zijn voor het conventionele AMR-effect.”
 
Reacties worden ingeladen...
gerelateerde items