[논문 리뷰] Hyperfine magnetic field in ferromagnetic graphite

Jair C. C. Freitas, Wanderlã L. Scopel외 8명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 04.

Advanced NMR Techniques and Applications참고 문헌 19인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 제로필드 핵자기공명(NMR)을 이용해 페로자성 그래파이트에서 13C 핵에서의 초미세 자기장을 직접 측정하였으며, 결함이 가공된 그래핀과 그래프이트 나노리본에 대한 최초의 원자적 계산(DFT)과 실험적 NMR를 융합하였다. 약 24 T의 초미세 자기장이 검출되어 탄소 기반 물질 내에서의 본질적 자성과 탄소 위치에서의 국소 자화모멘트 존재를 직접적으로 입증하였다.

ABSTRACT

Information on atomic-scale features is required for a better understanding of the mechanisms leading to magnetism in non-metallic, carbon-based materials. This work reports a direct evaluation of the hyperfine magnetic field produced at 13C nuclei in ferromagnetic graphite by nuclear magnetic resonance (NMR). The experimental investigation was made possible by the results of first-principles calculations carried out in model systems, including graphene sheets with atomic vacancies and graphite nanoribbons with edge sites partially passivated by oxygen. A similar range of maximum hyperfine magnetic field values (18-21T) was found for all systems, setting the frequency span to be investigated in the NMR experiments; accordingly, a significant 13C NMR signal was detected close to this range without any external applied magnetic field in ferromagnetic graphite.

연구 동기 및 목표

• 페로자성 탄소 물질에서 13C 핵의 초미세 자기장을 결정하는 것. 이는 금속 불순물 기여 가능성으로 인해 여전히 논란의 여지가 있음.
• 탄소 기반 물질 내 본질적 자성이 핵 수준에서 검출 가능한 초미세 상호작용을 유도하는지 확인하는 것.
• 이론적 예측된 결함 수정 그래핀 및 그래프이트 시스템에서의 초미세 자기장 값을 실험적 NMR로 검증하는 것.
• 제로필드 NMR 스펙트럼에서 페로자성 도메인과 도메인 벽에서 기인한 핵 신호를 구분하는 것.

제안 방법

• 원자적 계산(DFT)을 이용해 결함이 있는 그래핀 및 산소로 패assing된 그래프이트 나노리본을 포함한 모델 시스템에서 초미세 자기장 범위를 예측하였다.
• 1.5 K에서의 고체 페로자성 그래파이트 샘플에 대해 제로필드 13C NMR 실험을 수행하여 외부 자기장 없이 핵 공명을 검출하였다.
• 신호 대 잡음 비율을 향상시키고 기준선 오염 없이 공명 주파수를 식별하기 위해 스피너-에코 NMR 기법을 사용하였다.
• 이중 가우시안 피팅을 적용하여 두 개의 별개의 선(L 및 U)을 분리하여 서로 다른 자기 환경을 확인하였다.
• 외부 자기장을 적용하여 NMR 선의 필드 의존성 행동을 탐색하고, 도메인과 도메인 벽에서 기인한 원인을 추론하였다.
• 라디오파워 펄스 강도에 따른 신호 강도 의존성을 측정하여, 반자성 거동와 구별되는 페로자성 강화 효과를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페로자성 그래파이트에서 13C 핵의 초미세 자기장 크기는 얼마이며, 이는 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ2 진정으로 페로자성 탄소 물질에서 제로필드 NMR가 유의미한 신호를 검출할 수 있는가? 이는 본질적 초미세 결합을 시사하는가?
• RQ3 제로필드 NMR 스펙트럼에서 관측된 두 개의 별개의 NMR 선의 기원은 무엇인가? 페로자성 도메인인가, 도메인 벽인가?
• RQ4 소규모 외부 자기장 적용이 NMR 선의 상대적 강도와 위치에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 약 260 MHz에서 13C 제로필드 NMR 신호가 유의미하게 검출되었으며, 이는 페로자성 그래파이트에서 13C 핵에 약 24 T의 초미세 자기장을 의미한다.
• 측정된 약 24 T의 초미세 자기장은 결함과 가장자리 위치가 있는 모델 시스템에 대해 DFT로 예측된 18–21 T와 양호한 일치를 보였다.
• 두 개의 별개의 NMR 선이 분리되었으며, 주로 강한 아래 선(L)과 약한 위 선(U)으로 구성되어 있었고, 서로 다른 자기장 반응을 보였다.
• L선 강도는 외부 자기장 증가에 따라 단조롭게 감소하여 도메인 벽에서 기인한 것으로 나타났다.
• U선은 1 T의 외부 자기장에서 약 –10 MHz 이동을 보였으며, 이는 13C의 자기율비와 일치하여 페로자성 도메인에서 기인한 것으로 확인되었다.
• RF 펄스 강도에 따른 신호 강도 의존성이 반자성 시스템에서 일반적인 사인 함수 형태와 다름을 보여, 페로자성 강화 효과와 본질적 자성 반응을 확인하였다.