[論文レビュー] Electronic and magnetic structure of carbon nanotubes using x-ray absorption and magnetic circular dichroism spectroscopy

Sanjeev Gautama, P. Thakur+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2011

Carbon Nanotubes in Composites被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、化学気相成長法で合成された多層カーボンナノチューブ（MWCNTs）の電子的および磁気的性質を、C KエッジにおけるX線吸収スペクトロスコペー（XAS）およびFeおよびCo LエッジにおけるX線磁気円二色性（XMCD）を用いて調査した。Fe²⁺およびCo²⁺イオンが八面体対称性を示し、カーボンマトリックス中に埋め込まれており、室温で強固なフェロ磁性を示すことが明らかになった。XMCDおよびヒステリシス測定により、300 Kにおけるバルク磁性が確認された。

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.

研究の動機と目的

• 化学気相成長法で合成されたFeおよびCoドープ多層カーボンナノチューブ（MWCNTs）の電子的および磁気的構造を調査すること。
• カーボンベースのナノ材料における室温フェロ磁性の起源を特定すること。
• MWCNTマトリックス内におけるFeおよびCoイオンの酸化状態および局所対称性を同定すること。
• TEYおよびTFY検出モードを用いて、磁性が表面効果ではなくバルク性質であることを確認すること。

提案手法

• MWCNTsにおける空状態密度およびπ結合性を調べるため、C Kエッジにおける近接端X線吸収スペクトロスコペー（NEXAFS）を実施。
• エレメント特異的な磁気モーメントおよびスピン偏極を調べるため、FeおよびCo L₃,₂-エッジにおけるX線磁気円二色性（XMCD）を用いる。
• 表面およびバルク磁性寄与を区別するため、全電子収率（TEY）および全蛍光収率（TFY）検出モードを用いる。
• 構造的および成分的特徴の評価のため、走査型電子顕微鏡（SEM）、透過型電子顕微鏡（TEM）、およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDAX）を用いる。
• 10 Kおよび300 KでのFe L₃およびCo L₃エッジにおける磁気ヒステリシス測定により、フェロ磁性の挙動を確認。
• スペクトル特徴および二色性の符号から、酸化状態（Fe²⁺、Co²⁺）および配位対称性（八面体）をXASおよびXMCDスペクトルの解析により特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeおよびCoドープMWCNTsの電子的構造は、特にπ結合性および空状態に関してどうなっているか？
• RQ2 MWCNTsのカーボンマトリックス内におけるFeおよびCoイオンの酸化状態および局所対称性は何か？
• RQ3 観察されたMWCNTsのフェロ磁性は、FeまたはCoイオンに起因するものであり、それはバルクに起因するものか、表面に起因するものか？
• RQ4 MWCNTsにおける磁性は室温で安定しているか？また、磁性秩序の性質は何か？
• RQ5 FeおよびCoの3d軌道が、どのようにしてカーボンの2p軌道と混合して磁性を誘発するか？

主な発見

• C KエッジにおけるNEXAFSは、約285 eVに顕著なπ共鳴を示し、MWCNTsに強いπ結合性が存在することを示している。
• FeおよびCo L₃,₂-エッジにおけるXMCDスペクトルは、10 Kで明確な負の二色性信号を示し、八面体対称性を示すFe²⁺およびCo²⁺イオンの存在を確認した。
• 300 Kでの磁気ヒステリシスループは、低磁場（<1 T）で明確なフェロ磁性成分を示し、室温フェロ磁性が確認された。
• XMCD信号は、TEY（表面感受性）およびTFY（バルク感受性）両モードで観測されたため、磁性応答がバルク性質であることが確認された。
• HRTEM像により、FeおよびCoイオンがカーボンマトリックス中に埋め込まれており、チューブ壁上にナノ粒子が存在することが確認された。
• 観察されたフェロ磁性は、Cマトリックス内に埋め込まれたFe²⁺およびCo²⁺イオンに起因し、3dおよび2p軌道間の混合が重要な役割を果たしている。