'Snake currents' veroorzaken een bijzonder grote anisotropische magnetoweerstand in opgerold grafeen
Nanostructuren van opgerold grafeen vertonen een bijzonder grote anisotropische magnetoweerstand, een fysisch effect dat veel wordt gebruikt in toepassingen voor magnetische detectie, zoals kompassen en verkeersdetectors. Theoretische natuurkundigen in Utrecht en Dresden hebben dit effect aangetoond voor een opgerolde laag grafeen in de vorm van een buis met open uiteinden. "We hebben gezien dat het effect meer dat tien keer zo hoog kan zijn dan is waargenomen in conventionele legeringen van overgangsmetalen", vertelt Vidi-laureaat Carmine Ortix (Universiteit Utrecht). De onderzoekers publiceerden hun resultaten in april 2017 in het tijdschrift Nano Letters.
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", aldus Carmine Ortix. "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."
Speciale geometrie
Ortix 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, dat 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 bijzonder grote AMR-effect 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", legt Ortix uit. "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."
Nanodetectie-apparaten
Ortix verwacht dat het voorspelde effect zeer binnenkort experimenteel kan worden aangetoond door recente ontwikkelingen in de vervaardiging van hoogwaardige koolstofnanorollen. "Dit kan een stap zijn in de richting van geminiaturiseerde apparaten op nanoschaal die gebruik maken van anisotropische magnetoweerstand, voor magnetische registratie en andere toepassingen", zegt Ortix.
Contactgegevens
Het door Carmine Ortix uitgevoerde werk is onderdeel van zijn Vidi-beurs 'Shaping nanomaterials for future electronics' gefinancierd door NWO.
Carmine Ortix, (030) 253 57 22.
Referentie
C.-H. Chang, C. Ortix 'Theoretical prediction of a giant anisotropic magnetoresistance in carbon nanoscrolls', Nano Letters (Articles ASAP).
DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00426.