Исследователи из Китая смогли добиться проявления ферромагнитных свойств от графитообразного нитрида углерода, g-C₃N₄, введя в двумерную структуру этого материала обрамляющие водородные связи. Такая настойка свойств g-C₃N₄ может способствовать его применению в спинтроновых устройствах.

Спинтроника использует собственные спиновые состояния электронов и связанные с ними магнитные моменты твердотельного материала для хранения информации или изготовления сенсоров. Обычно применяющиеся для решения таких задач материалы ферромагнитны, то есть они генерируют постоянное магнитное поле.

Для изготовления таких материалов и устройств можно применять ультратонкие двумерные нанолисты, в которых может происходить упорядочение спиновых состояний.

К сожалению, металлсодержащие двумерные нанообъекты обычно не могут обеспечить достаточное время спиновой релаксации. Наноструктуры, не содержащие металлы, на спиновое состояние которых влияют преимущественно s- и p-электроны, обычно демонстрируют слабое спин-орбитальное взаимодействие и большое время спиновой релаксации, что делает их более пригодными для спинтроники материалами.

Но и здесь не обходится без проблем – структуры, не содержащие металлов, зачастую страдают от недостатка упорядоченности спиновых систем, что не дает им проявлять ферромагнитные свойства.

Чанжен Ву (Changzheng Wu) с соавторами обнаружил, что

гидрирование графитоподобного материала, состоящего из слоев, содержащих чередующиеся связи C-N – g-C₃N₄, приводит к формированию обрамляющих водородных связей, индуцирующих упорядочение спинов в структуре.

Обрамляющая, «свободная» связь образуется в том случае, когда иммобилизованный атом характеризуется некомпенсированной валентностью. В g-C₃N₄ атомы азота и углерода находятся в состоянии sp₂-гибридизации, на атомах азота локализованы неподеленные электронные пары, иммобилизованные в структуре этого материала. Из-за наличия в структуре g-C₃N₄ электроотрицательных атомов азота гидрирование графитоподобного нитрида углерода осуществляется проще, чем графена, и в результате такого гидрирования могут формироваться обрамляющие (ненасыщенные) водородные связи, влияющие на спиновое состояние системы.

Таким образом, по словам Ву,

появляется возможность индуцировать ферромагнетизм в материале, не изменяя его кристаллическую структуру.

Специалист по материаловедению из Университета Техаса Гуйхуа Ю (Guihua Yu) отмечает, что

новое исследование демонстрирует перспективу придания ферромагнитных свойств двумерным материалам, не содержащим в своей структуре металла и, бесспорно, может расширить перечень двумерных ферромагнетиков. Ву с коллегами планирует развивать работу, вводя такие обрамляющие связи и дефекты кристаллической решетки в другие двумерные наноматериалы в надежде найти способ управления и их спиновым поведением.