[논문 리뷰] Electronic and magnetic structure of carbon nanotubes using x-ray absorption and magnetic circular dichroism spectroscopy

Sanjeev Gautama, P. Thakur외 6명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 23.

Carbon Nanotubes in Composites인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 화학 기상 에피택시 방법을 통해 합성된 다중벽 그래핀 나노튜브(MWCNTs)의 전자적 및 자성 성질을 X선 흡수 분광법(XAS)의 C K-edge 및 Fe와 Co의 L-edge에서의 X선 자기회전 이방성 분광법(XMCD)을 이용하여 조사한다. 연구는 삼각형 대칭의 Fe²⁺ 및 Co²⁺ 이온이 탄소 기질에 내장되어 있어 실온에서 강한 자성을 나타내며, XMCD 및 히스테리시스 측정을 통해 300 K에서의 부피 자성 거동을 확인하였다.

ABSTRACT

Carbon nanotubes are a fraction of the size of transistors used in today's best microchips, as it could reduce power demands and heating in next electronics revolution. Present study investigates the electronic and magnetic structure of multi walled carbon nanotubes (MWCNT) synthesized by chemical vapor deposition technique using near edge x-ray absorption spectroscopy (NEXAFS) measurement at C K-edge and x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) at Co and Fe $L_{3,2}$ -edges. NEXAFS at C K-edge shows significant $π$-bonding, and Fe(Co) L-edge proves the presence of Co$^{2+}$ and Fe$^{2+}$ in octahedral symmetry, and embedded in C-matrix of MWCNT. Element specific hystersis loops and XMCD spectra clearly shows that these MWCNTs exhibits room temperature ferromagnetism. These measurements elucidated the electronic structure of CNTs and presence of magnetic interactions at room temperature.

연구 동기 및 목표

• 화학 기상 에피택시를 통해 합성된 철 및 cobalt 도핑 다중벽 그래핀 나노튜브(MWCNTs)의 전자적 및 자성 구조를 조사하기 위해.
• 탄소 기반 나노물질에서의 실온 자성의 기원을 규명하기 위해.
• MWCNT 기질 내에서 Fe 및 Co 이온의 산화 상태와 국소 대칭을 특정하기 위해.
• TEY 및 TFY 검출 모드를 사용하여 표면 효과가 아닌 부피 성질임을 확인하기 위해.

제안 방법

• MWCNTs의 비어 있는 상태 밀도 및 π 결합 성질을 조사하기 위해 C K-edge에서 근접 에너지 X선 흡수 분광법(NEXAFS)을 수행하였다.
• 요소별 자성 모멘트 및 스핀 분포를 조사하기 위해 Fe 및 Co의 L₃,₂-edge에서 X선 자기회전 이방성 분광법(XMCD)을 수행하였다.
• 표면 및 부피 자성 기여를 구분하기 위해 총 전자 수확(TEY) 및 총 광학 수확(TFY) 검출 모드를 사용하였다.
• 구조적 및 조성 특성을 위해 스캐닝 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM), 에너지 분산 X선 분석(EDAX)을 수행하였다.
• 10 K 및 300 K에서 Fe L₃ 및 Co L₃ 에지에서 자성 히스테리시스 측정을 수행하여 투자성 거동을 확인하였다.
• 스펙트럼 특징과 이방성 신호를 분석하여 산화 상태(Fe²⁺, Co²⁺) 및 배위 대칭(육각형 대칭)을 결정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철 및 코발트 도핑 다중벽 그래핀 나노튜브의 전자 구조는 π 결합 및 비어 있는 상태에 대해 어떻게 되어 있는가?
• RQ2 MWCNT 기질 내에서 철 및 코발트 이온의 산화 상태와 국소 대칭은 무엇인가?
• RQ3 관찰된 MWCNTs의 자성은 철 또는 코발트 이온에서 기인하는가? 이는 부피 내재성인지 표면 효과인지?
• RQ4 MWCNTs의 자성 거동은 실온에서 안정한가? 자성 정렬의 성격은 무엇인가?
• RQ5 철 및 코발트 3d 오비탈은 탄소 2p 오비탈과 어떻게 혼성화되어 자성을 유도하는가?

주요 결과

• C K-edge에서의 NEXAFS는 약 285 eV에서 강한 π 공명를 나타내어 MWCNTs 내에서 강한 π 결합 성질을 보임을 시사한다.
• Fe 및 Co의 L₃,₂-edge에서의 XMCD 스펙트럼은 10 K에서 명확한 음성 이방성 신호를 보이며, 삼각형 대칭의 Fe²⁺ 및 Co²⁺ 이온 존재를 확인한다.
• 300 K에서의 자성 히스테리시스 루프는 낮은 자장(<1 T)에서 명확한 투자성 성분을 나타내어 실온에서의 자성 거동을 입증한다.
• XMCD 신호는 TEY(표면 민감) 및 TFY(부피 민감) 모드 양쪽 모두에서 관측되어 자성 반응이 부피 성질임을 확인한다.
• 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM) 영상은 나노입자가 튜브 벽에 존재함을 확인하여 Fe 및 Co 이온이 탄소 기질에 내장되어 있음을 입증한다.
• 관찰된 자성은 탄소 기질 내 Fe²⁺ 및 Co²⁺ 이온에 기인하며, 3d 및 2p 오비탈 간 혼성화가 핵심 역할을 한다.