[論文レビュー] Size-dependent concentration of N0 paramagnetic centres in HPHT nanodiamonds

Boris Yavkin, G. V. Mamin+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2015

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、高圧高溫（HPHT）ナノダイヤモンドにおける窒素空位（N⁰）パラミagnetic中心のサイズ依存的濃度を、高周波およびXバンド電子スピン共鳴（EPR）分光法を用いて調査した。著者らは、粒子サイズの減少に伴うN⁰中心濃度の低下を説明するため、核-シェルモデルを提案し、ダイヤモンドシェル内の構造的差異がその変動を引き起こすものとし、サイズキャリブレーション済みの試料を用いてスピン密度を定量的に推定した。

ABSTRACT

Size-calibrated commercial nanodiamonds synthesized by high-pressure high-temperature (HPHT) technique were studied by high-frequency W and conventional X band electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. The numbers of spins in the studied samples were estimated. The core-shell model of the HPHT nanodiamonds was proposed to explain the observed dependence of the concentration of the N0 paramagnetic centers. Two other observed paramagnetic centers are attributed to the two types of structures in the nanodiamond shell.

研究の動機と目的

• 商業的HPHTナノダイヤモンドにおけるN⁰パラミagnetic中心のサイズ依存的挙動を理解すること。
• 粒子サイズがN⁰中心の濃度に与える影響、特に表面および構造的要因との関係を特定すること。
• さまざまなサイズのナノダイヤモンドにおける観察されたEPRシグナル傾向を説明できる核-シェルモデルを構築すること。
• 高周波および従来のXバンドEPR分光法を用いて、HPHTナノダイヤモンド試料内の不対スピン数を定量すること。

提案手法

• サイズキャリブレーション済みのHPHTナノダイヤモンド試料を分析するために、高周波（HF-EPR）および従来のXバンド電子スピン共鳴（EPR）分光法が用いられた。
• 各試料内の不対スピン数は、EPRシグナル強度および既知のg因子から推定された。
• 核-シェルモデルは、N⁰中心濃度のサイズ依存的変動を説明するために提案され、欠陥のないコアと欠陥を含むシェルを仮定した。
• シェルに二つの追加のパラミagnetic中心が存在することが同定され、ダイヤモンド表面層内の異なる構造的配置に起因するとされた。
• 理論的分析により、観察されたEPRシグナル傾向がナノダイヤモンドの表面対体積比に関連していることが示され、表面に起因する欠陥形成が強調された。
• 試料はサイズキャリブレーションされ、異なる粒子径におけるN⁰中心濃度の定量的比較が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HPHT法で合成されたナノダイヤモンドの粒子サイズが小さくなるに従い、N⁰パラミagnetic中心の濃度はどのように変化するか？
• RQ2 HPHTナノダイヤモンドのどのような構造的特徴が、N⁰中心のサイズ依存的EPRシグナル傾向を説明できるか？
• RQ3 ダイヤモンド表面（シェル）は、N⁰やその他の中心のようなパラミagnetic欠陥の形成および濃度にどのような役割を果たすか？
• RQ4 核-シェルモデルは、さまざまなサイズのナノダイヤモンドにおいて、実験的EPRデータを定量的に説明できるか？
• RQ5 粒子サイズの変化に伴い、コアとシェルが全パラミagneticシグナルに与える相対的寄与はどのように変化するか？

主な発見

• サイズキャリブレーション済み試料におけるEPR測定により、N⁰パラミagnetic中心の濃度が粒子サイズの減少に伴い顕著に低下することが確認された。
• 核-シェルモデルは、N⁰中心濃度のサイズ依存的傾向をうまく説明でき、特に小さな粒子ではシェルがパラミagnetic中心に顕著に寄与していることが示された。
• シェルに二つの追加のパラミagnetic中心が同定され、それぞれ異なる構造的欠陥に起因するとされ、そのシグナルは粒子サイズに応じて体系的に変化した。
• EPRシグナル強度からスピン密度の推定値が得られ、異なるナノダイヤモンドサイズ間でのパラミagnetic欠陥濃度の定量的比較が可能になった。
• 観察されたEPRシグナル傾向は、表面支配の欠陥形成機構と整合的であり、小さな粒子では表面対体積比が高く、相対的な欠陥濃度も高くなることが示された。