Le graphite est-il magnétique ?

Il a été confirmé que le graphite est non magnétique à température ambiante car il contient des atomes de carbone disposés en couches.

Malgré cela, le graphite possède diverses propriétés intéressantes, notamment sa conductivité électrique, similaire aux matériaux magnétiques.

Graphite contre. Diamagnétisme

Structure pour graphite
Structure pour graphite

Les matériaux qui ont tendance à repousser un champ magnétique externe sont appelés diamagnétiques. La répulsion provient du mouvement des électrons à l’intérieur du matériau provoqué par un champ qui formule leur propre petit champ magnétique opposé. Diamagnétisme n'est pas une propriété présentée uniquement par le graphite.

Graphite est une forme allotropique de carbone avec une structure en couches. De par la structure de ses électrons, le graphite se comporte comme des matériaux diamagnétiques.

Sa structure en couches unique et sa faible liaison intercouche jouent un rôle crucial en influençant la réponse magnétique globale du matériau.

Matériaux diamagnétiques
Matériaux diamagnétiques

Facteurs affectant le magnétisme du graphite

Couplage intercouche (structure en treillis hexagonal)

Les couches individuelles de graphène dans le graphite sont légèrement diamagnétiques. Vous vous rendrez compte qu’il existe une légère répulsion aux champs magnétiques. Pourtant, la façon dont ces couches sont empilées est cruciale.

Les couches sont liées entre elles par de faibles forces de Van der Waals, et leur orientation et leur espacement relatifs peuvent affecter leur interaction magnétique mutuelle.

Impuretés (dopage et défauts)

La structure électronique du graphène et ses propriétés magnétiques peuvent être modifiées en introduisant des atomes (dopants) ou en créant des défauts structurels.

En remplaçant un ou plusieurs atomes de carbone par des éléments tels que le bore ou l'azote, le système en vient à contenir des électrons non appariés.

Cela le rend sensible au ferromagnétisme (où tous ses moments magnétiques sont orientés dans une seule direction).

 Champ magnétique externe

Il s'avère que même le graphite pur, sans dopant ni défaut, peut être amené à devenir un aimant en appliquant un agent externe. champ magnétique. Lorsqu’une couche existe dans chaque élément, l’alignement du champ peut orienter les couches de forage et créer une magnétisation macroscopique nette.

Variations de température

Le magnétisme du graphite est fortement affecté par la température. La température provoque des changements dans l'énergie cinétique de ses électrons.

En même temps, cela modifie leur mobilité, entraînant une modification de leurs propriétés magnétiques. L'influence de la température contribue à expliquer la nature et la variabilité du magnétisme du graphite.

Structure du graphite et impacts sur le magnétisme

Couches en nid d'abeille

Les couches de graphène sont comme des nids d'abeilles, avec des atomes de carbone dans une structure hybride sp2 serrée et formant des liaisons fortes au sein de chaque couche.

Ces liaisons font du graphite un bon conducteur et limitent le mouvement des électrons sur des plans perpendiculaires à leur direction. Ce mouvement confiné est un facteur clé pour empêcher les couches d’interagir magnétiquement trop fortement.

Faible liaison entre les couches

Des couches de graphène s’empilent les unes sur les autres, liées par de faibles interactions de Van der Waals. Étant donné que les liaisons sp2 dans le plan sont beaucoup plus fortes que ces forces intercouches, il y a très peu d’interaction électronique entre les couches.

Ce faible couplage permet à chaque couche de conserver son diamagnétisme de base, une légère résistance aux champs magnétiques. Pourtant, le positionnement relatif de ces couches affectera leur réponse magnétique globale.

Ordre d'empilement et magnétisme

Cette interaction magnétique intercouche dépend de la séquence d’empilement des couches dans les empilements de graphène.

Lorsque deux couches de l'empilement Bernal présentent un diamagnétisme d'orientation opposée, l'effet est antiferromagnétique (l'aimantation totale s'annule).

La danse peut être modifiée avec d'autres modèles d'empilement possibles, entraînant un faible ferromagnétisme ou des phénomènes magnétiques exotiques dus à de minuscules changements affectant la délocalisation des électrons entre les couches.

Effets de bord et défauts

Enfin, les bords des feuilles de graphène laissent des liaisons pendantes, produisant des moments magnétiques locaux. Ceux-ci peuvent alors interagir avec le faible diamagnétisme de la masse et ainsi affecter le comportement magnétique global.

Parfois, vous pouvez ajouter des atomes étrangers, comme le bore ou l’azote, qui apportent des électrons non appariés qui contribuent à un ferromagnétisme plus fort.

Structure pour graphite
Structure pour graphite

Autres types de carbone et leurs propriétés magnétiques

Diamant

Constitué d'un réseau tétraédrique, qui lui donne son apparence, cette caractéristique étonnante le rend diamagnétique.

Parce que chaque carbone se lie de manière égale avec ses quatre voisins, les électrons sont appariés et il n’y a pas de moment magnétique net.

Pourtant, les impuretés azotées ou d’autres irrégularités de surface peuvent laisser des électrons non appariés, ce qui affaiblit le ferromagnétisme.

Les fullerènes

Comme les célèbres buckyballs, ces cages en carbone sphériques ou cylindriques présentent également un diamagnétisme.

De plus, leur structure électronique à coque fermée produit peu d’électrons non appariés. Mais, en utilisant des atomes magnétiques pour le dopage ou en attachant une molécule en mouvement magnétique, les portes peuvent être ouvertes à de nouveaux nano-aimants.

Nanotubes de carbone

Ces merveilles unidimensionnelles montrent différents types de comportements magnétiques sous l'influence de variations de chiralité et de diamètre.

Les nanotubes métalliques sont diamagnétiques, mais les semi-conducteurs peuvent être paramagnétiques s'ils ont des électrons non appariés dans leur structure de bande.

L'ajout de défauts ou d'impuretés peut provoquer du ferromagnétisme ou de l'antiferromagnétisme, ce qui en fait d'excellents candidats pour la spintronique.

Carbone amorphe

Dans cette forme désordonnée, qui contient de la suie et du charbon, la structure électronique est randomisée et délocalisée ; il y a peu ou pas de diamagnétisme.

Si des impuretés ou des défauts sont présents, cela introduit des moments magnétiques localisés provoquant un comportement très complexe de ces matériaux.

Le graphène

Bien qu’elles soient tout aussi similaires au graphite, les feuilles de graphène formées indépendamment possèdent un magnétisme quantique inhabituel.

Cela est dû au fait qu’ils sont bidimensionnels et qu’ils ont des interactions électron-électron accrues. Cela ouvre de nouvelles voies pour rechercher le magnétisme exotique au niveau atomique.

Conclusion

Ceci n’est qu’un aperçu du monde captivant du magnétisme du carbone. Grâce aux recherches et à l’exploration en cours, nous pourrions découvrir des secrets magnétiques fascinants.

Plus de ressources

Point de fusion du graphite – KDMfab

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