Física del Estado Sólido
Graphite sample on a sample  holder

Muestra de grafito colocado en un portamuestras



Cristal simple de diamante con diferentes micro irradiaciones

de iones de boro

Junto a las típicas técnicas IBA de análisis de elementos atómicos de materiales (PIXE, RBS, ERDA, etc.) en un rango espacial que suele ir desde los nanómetros a las micras, los aceleradores de iones tienen también la enorme utilidad de ser potentes máquinas de implantación iónica y de modificación de materiales. Al implantar un ion energético sobre un sólido, se producen cambios en la estructura y propiedades del sólido que pueden ser aprovechados en diversos campos de aplicación de la física y la ingeniería, y pueden utilizarse para crear elementos tan variados como biochips y dispositivos ópticos o electrónicos. El rango de energías típicas utilizadas en implantación iónica es muy amplio, barriendo desde las pocas decenas de keV, obtenidas con pequeños implantadores iónicos, hasta incluso algunos cientos de MeV, producidos en aceleradores de partículas, cuyo uso suele ser más interesante (aunque más costoso) para la investigación científica.

Nuestro equipo de investigación está aplicando estas técnicas a un problema del máximo interés en la actualidad dentro de la Física del Estado Sólido: la del estudio de la posible existencia de magnetismo y/o de superconductividad reportados en grafito, grafeno o diamante, y compuestos basados en el carbono, en general.  Por todo ello, decidimos iniciar una línea de investigación sobre este tema en el acelerador de iones de 5 MV del CMAM y en colaboración con otros grupos de investigadores del Campus de la Universidad Autónoma de Madrid, así como de la Universidad de Leipzig (Alemania) y de la Universidad de Johannesburgo (Sudáfrica), entre otros.

En los últimos años, y en colaboración con el grupo de la Universidad de Leipzig y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), nuestro grupo del CMAM ha realizado nuevos experimentos [1] más cuidadosos y precisos sobre el posible cambio en las propiedades magnéticas en muestras de grafito HOPG tras la irradiación de iones positivos de H, C y N de energías en el rango de los MeV. El uso de nuevos portamuestras especialmente preparados para las medidas magnéticas mediante el SQUID nos proporcionaron una altísima precisión y reproducibilidad, de manera que se pueden determinar directamente los efectos de la irradiación sin necesidad de correcciones o sustracciones indirectas. En resumen, nuestros resultados mostraron que la irradiación de iones provocaba hasta tres tipos diferentes de fenómenos magnéticos en las muestras de grafito: paramagnetismo de Curie, ferromagnetismo y un anómalo estado paramagnético que aparecía en determinados casos como un precursor del estado magnético ordenado. Observamos también mediante medidas directas de la temperatura superficial de las muestras con una cámara termográfica que los efectos de auto-calentamiento durante la irradiación son importantes y una causa probable de las débiles contribuciones ferromagnéticas obtenidas en muchos casos. En cualquier caso, nuestros resultados [1] sugieren que el ferromagnetismo aparece cuando la distancia promedio entre vacantes cerca de la región superficial es de aproximadamente 2nm. Estudios similares sobre el magnetismo, aunque con conclusiones bien diferentes, se realizaron sobre muestras de diamante monocristalino irradiado con protones, en colaboración con la Universidad de Johannesburgo y el ICMM-CSIC [2,3].

Más recientemente, nuestro grupo de investigación ha emprendido el estudio de los efectos de la implantación de iones focalizados de boro y de carbono de alta energía en monocristales de diamante usando diferentes estrategias,  energías y fluencias de irradiación, incluyendo el estudio posterior del daño causado en la red cristalina y su posterior recuperación a altas temperaturas, utilizando nuestra Línea de Microhaz interno [4,-7].


[1] “Magnetic properties of graphite irradiated with MeV ions”, M. A. Ramos, J. Barzola-Quiquia, P. Esquinazi, A. Muñoz-Martín, A. Climent-Font and M. García-Hernández, Phys. Rev. B 81, 214404 (2010).
[2] “Investigation of the magnetic properties of proton irradiated type Ib HPHT diamond”, N. Daya, E. Sideras-Haddad, T.N.Makgato, M. García-Hernández, A. Climent-Font, A.Zucchiatti and M.A. Ramos, Diamond & Related Materials 64, 197–201 (2016).
[3] “Magnetic properties of point defects in proton irradiated diamond”, T. N . Makgato, E. Sideras-Haddad, M. A. Ramos, M. García-Hernández, A. Climent-Font, A. Zucchiatti, A. Muñoz-Martin, S. Shrivastava and R. Erasmus, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 413, 76–80 (2016).
[4] “Highly-focused boron implantation in diamond and imaging using the nuclear reaction 11B(p, α)8Be”, M.D. Ynsa, M.A. Ramos, N. Skukan, V. Torres-Costa, M. Jakšić, Nucl. Instr. and Meth. B 348, 174–177 (2015). 
[5] “Study of the effects of focused high-energy boron ion implantation in diamond”, M. D. Ynsa, F. Agulló-Rueda, N. Gordillo, A. Maira, D. Moreno-Cerrada, and M. A. Ramos, Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. B 404, 207 (2017).
[6] “Micro-Raman spectroscopy of near-surface damage in diamond irradiated with MeV boron ions”, F. Agulló-Rueda , M. D. Ynsa, N. Gordillo, A. Maira, D. Moreno-Cerrada, and M. A. Ramos,  Diamond & Related Materials 72, 94-98 (2017).
[7] “ Lattice damage in 9-MeV-carbon irradiated diamond and its recovery after annealing”,  F. Agulló-Rueda, N. Gordillo, M. D. Ynsa, A. Maira, J. Cañas, and M. A. Ramos , Carbon 123, 334-343 (2017).