Laskennallisia tutkimuksia grafeenien magneettisen resonanssin ja magneto-optisista ominaisuuksista

Jarkko Vähäkangas on tutkinut väitöskirjassaan grafeenin ja sen kemiallisten johdannaisten magneettisen resonanssin ja magneto-optisia ominaisuuksia käyttämällä tarkkoja kvanttikemiallisia laskentamenetelmiä. Grafeeni on kaksiulotteinen materiaali, joka koostuu ainoastaan toisiinsa liittyneistä hiiliatomeista. Se on kaikkien aikojen ohuin valmistettu materiaali. Johtuen materiaalin lähestulkoon läpinäkyvyydestä, satoja kertoja terästä suuremmasta lujuudesta sekä poikkeuksellisen korkeasta lämmön- ja sähkönjohtavuudesta, grafeeni ja sen johdannaiset ovatkin yksi tämän hetken materiaalitieteen suosituimmista tutkimuskohteista.

Tästä huolimatta grafeenimateriaalien magneettisen resonanssin ominaisuudet tunnetaan vielä huonosti. Hyvin yleisiä materiaalin karakterisointimenetelmiä, kuten ydinmagneettista resonanssia (NMR) ja elektronispinresonanssia (ESR), ei juurikaan hyödynnetä grafeenien rakenteellisissa tutkimuksissa.

Tutkimuksessa saatiin uutta atomitason informaatiota grafeenimateriaalien ominaisuuksista niin puhtaassa grafeenissa kuin myös grafeeneissa, joihin on lisätty vetyä tai fluoria. Työssä määritettiin NMR-spektroskooppiset parametrit näille kaksiulotteisille grafeenimateriaaleille ja lisäksi niitä vastaaville, äärellisen kokoisille grafeenimolekyyleille, ns. grafeenilastuille. Hilavirheellisiä grafeeneja tutkittiin ESR- ja paramagneettisen NMR-tekniikan parametrien laskuilla. Hilavirheen, kuten yhden puuttuvan tai ylimääräisen atomin, todettiin aiheuttavan erittäin merkittäviä spektroskooppisia efektejä.

Väitöstyössä suoritettujen laskujen avulla osoitettiin lisäksi, että magneto-optista ilmiötä voidaan käyttää äärellisen kokoisten grafeenilastujen erotteluun. Erikokoisia grafeenilastuja tutkittiin niin sanotun Faradayn rotaatioilmiön avulla. Ilmiö perustuu laservalon polarisaatiotason kääntymiseen sen kulkiessa läpi materiaalin, jossa vaikuttaa valon etenemissuuntainen magneettikenttä. Eri kokoisten grafeenilastujen ja vetypitoisuuksien, samoin kuin myös lastujen reuna-alueiden muodot, havaittiin aiheuttavan valon polarisaatiotason karakteristisen kääntymisen.

Tutkimuksessa saatiin vahvaa näyttöä käytettyjen menetelmien käyttökelpoisuudesta grafeenimateriaalien tarkkaan atomitason tutkimiseen. Työssä osoitettiin tarkasteltujen spektroskooppisten parametrien erittäin suuri herkkyys grafeenimateriaalien elektroni- ja atomirakenteelle. Saadut tulokset auttavat kokeellisiin havaintoihin pyrkimisessä ja ovat myös hyödynnettävissä muiden grafeeni- ja hiilimateriaalien tutkimuksessa.