[論文レビュー] Size Effect in Electron Paramagnetic Resonance Spectra of Impurity Centers in Diamond Nanoparticles

G. G. Zegrya, D. M. Samosvat+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、サブミクロンサイズのダイヤモンドナノ粒子における電子スピン共鳴（EPR）スピンのサイズ依存的進化を調査し、粒子サイズが臨界閾値未満に低下すると、P1中心からのハイパーフィンの分裂が電子波動関数の拡散とスピン拡散によって消失することを示している。その結果、構造的EPRスピンから構造のない信号に移行し、ナノダイヤモンドにおける局所的ハイパーフィン相互作用の喪失を示している。

ABSTRACT

The evolution of the polycrystalline pattern of electron paramagnetic resonance (EPR) spectra of intrinsic and induced paramagnetic centers in an ensemble of submicrometer diamond particles on diminishing average particle size is considered. Recent experimental data unambiguously demonstrate consistent reduction and then zeroing of typical hyperfine pattern from P1 centers on approaching a certain particle size and below it. These changes are accompanied by appearance and strengthening of new structureless signals. In small particles the electron wave function of a surface paramagnetic center is delocalized over the whole nanoparticle. In result the electron spin "experiences" the average field of all surrounding nuclei, which is zero. At the same time, the paramagnetic centers localized in the bulk of a nanoparticle are also cut off the hyperfine interaction due to the electron spin diffusion. Thus, upon the nanodiamond particle size decreases the hyperfine related features of the polycrystalline EPR spectrum become weaker and the spectrum appear to be structureless.

研究の動機と目的

• 粒子サイズの減少が不純物中心の電子スピン共鳴（EPR）スピンスペクトルに与える影響を理解すること。
• 粒子サイズの減少に伴いP1中心のハイパーフィン構造が徐々に消失するという実験的観察を説明すること。
• ナノダイヤモンドにおけるハイパーフィン相互作用の抑制に寄与する電子波動関数の拡散とスピン拡散の役割を調査すること。
• 小さなナノ粒子で観察される構造のないEPRスピン信号の起源を明確にすること。
• ハイパーフィン特徴がもはや分解できない臨界サイズ閾値を確立すること。

提案手法

• 平均サイズが異なるサブミクロンサイズのダイヤモンド粒子の多結晶集合体からの実験的EPRスピンスペクトルの分析。
• 粒子サイズの減少に伴う表面および体積内のパラマグネティック中心における電子スピン行動のモデル化。
• 小さな粒子において電子波動関数が全ナノ粒子にわたって拡散するのを記述するための量子力学的原則の適用。
• 粒子サイズの縮小に伴い体積内に位置する中心におけるハイパーフィン相互作用の抑制を説明するスピン拡散理論の適用。
• 電子スピンが受ける有効核磁場の計算を行い、拡散状態ではそれがゼロに平均化されることを示す。
• 異なる粒子サイズにおけるEPRスペクトル特徴の比較を通じて、ハイパーフィン構造の消失の臨界サイズ閾値を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンドナノ粒子におけるP1中心のハイパーフィン分裂が、どの粒子サイズで完全に消失するか。
• RQ2 小さなナノ粒子における電子波動関数の拡散が、観測されるEPRスピンスペクトルにどのように影響するか。
• RQ3 スピン拡散が、体積内に位置するパラマグネティック中心におけるハイパーフィン相互作用の抑制に果たす役割は何か。
• RQ4 パラマグネティック中心が存在するにもかかわらず、小さなダイヤモンドナノ粒子のEPRスペクトルがなぜ構造のないものに見えるのか。
• RQ5 粒子サイズの減少に伴い、電子スピンが受ける平均核磁場はどのように変化するか。

主な発見

• 平均粒子サイズが臨界閾値未満に低下すると、ダイヤモンドナノ粒子におけるP1中心のハイパーフィン分裂が完全に消失する。
• この臨界サイズ未満のナノ粒子では、表面に存在するパラマグネティック中心の電子波動関数が全粒子にわたって拡散し、有効核磁場がゼロになる。
• 粒子サイズの縮小に伴い、体積内に位置する中心におけるスピン拡散もハイパーフィン相互作用の抑制を引き起こし、スペクトルの単純化に寄与する。
• 構造的から構造のないEPRスピンスペクトルへの移行に伴い、新たな広帯域の構造のない信号が出現し、強化される。
• ハイパーフィン構造の消失は、局所的電子環境の変化によるものではなく、主に核磁場の拡散と平均化に起因する。
• ハイパーフィン特徴の消失の臨界サイズは、電子波動関数の空間的スケールと粒子の幾何的閉じ込めに一致する。