[論文レビュー] Hyperfine magnetic field in ferromagnetic graphite

Jair C. C. Freitas, Wanderlã L. Scopel+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2014

Advanced NMR Techniques and Applications参考文献 19被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、欠陥を制御したグラフェンおよびグラファイトナノリブの第一原理DFT計算と実験的NMRを組み合わせることで、ゼロ場核磁気共鳴（NMR）を用いて強磁性グラファイト中の13C核におけるハイパーファイン磁場を直接測定した。約24 Tのハイパーファイン磁場が検出され、炭素を主体とする材料における固有の磁性が確認され、炭素サイトにおける局所的磁気モーメントの直接的証明が得られた。

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.

研究の動機と目的

• 金属不純物の寄与が懸念される中、強磁性炭素材料における13C核におけるハイパーファイン磁場を特定すること。
• 炭素系材料に内在する磁性が、核レベルで検出可能なハイパーファイン相互作用を生じるかどうかを検証すること。
• 理論的予測された欠陥修飾グラフェンおよびグラファイト系におけるハイパーファイン磁場を、実験的NMRによって検証すること。
• ゼロ場NMRスペクトルにおいて、強磁性ドメインとドメイン壁からの核信号を区別すること。

提案手法

• 原子空孔を有するグラフェンおよび酸素修飾されたグラファイトナノリブをモデル系として用い、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算によりハイパーファイン磁場の範囲を予測した。
• 1.5 Kで固体状の強磁性グラファイト試料に対してゼロ場13C NMR実験を実施し、外部磁場なしで核共鳴を検出した。
• スピンエコーNMR技術を用いて信号対雑音比を向上させるとともに、ベースラインアーチファクトのない共鳴周波数を特定した。
• 二重ガウスフィッティングをNMRスペクトルに適用し、二つの明確に異なるピーク（LおよびU）を解離した。これは、異なる磁気的環境を示している。
• 外部磁場を印加してNMRピークの磁場依存的挙動を調べ、ドメインとドメイン壁からの起源を同定した。
• ラジオ周波数パルスの振幅依存性を測定し、ダイアマグネティックな挙動とは異なる信号強度の振るまいを観察することで、強磁性による増幅効果を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強磁性グラファイト中の13C核におけるハイパーファイン磁場の大きさは何か？理論的予測と一致するか？
• RQ2 真に強磁性炭素材料において、ゼロ場NMRが顕著な信号を検出できるか？これは、固有のハイパーファイン結合の存在を示唆するか？
• RQ3 ゼロ場NMRスペクトルに観察された二つの明確なNMRピークの起源は何か？強磁性ドメインか、ドメイン壁か？
• RQ4 微小な外部磁場を印加すると、NMRピークの相対的強度および位置はどのように変化するか？

主な発見

• 約260 MHzの顕著な13Cゼロ場NMR信号が検出され、これは強磁性グラファイト中の13C核におけるハイパーファイン磁場が約24 Tに相当する。
• 測定されたハイパーファイン磁場（約24 T）は、欠陥および端末サイトを有するモデル系におけるDFT予測値（18–21 T）と良好に一致している。
• 二つの明確なNMRピークが解離された：主な低いピーク（L）と弱い高いピーク（U）、それぞれ異なる磁場応答を示した。
• Lピークの強度は外部磁場の増加に伴い単調に減少し、これは磁性ドメイン壁由来であることを示している。
• Uピークは1 Tの外部磁場で約–10 MHzシフトを示し、13Cの磁気共鳴比に一致しており、強磁性ドメイン由来であると判明した。
• RFパルス振幅依存性の信号強度が、ダイアマグネティック系に見られる正弦曲線的振るまいとは異なることから、強磁性による増幅効果および固有の磁気応答が確認された。