[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过化学气相沉积法合成的多壁碳纳米管（MWCNTs）采用X射线吸收谱（XAS）在C K边和X射线磁圆二色谱（XMCD）在Fe与Co L边，研究其电子与磁性性质。结果表明，处于八面体对称场中的Fe²⁺与Co²⁺离子嵌入碳基质中，导致在室温下表现出强磁性，XMCD与磁滞回线测量证实了在300 K时为体相磁性行为。

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.

研究动机与目标

• 研究通过化学气相沉积法合成的Fe与Co共掺杂多壁碳纳米管（MWCNTs）的电子与磁性结构。
• 确定基于碳的纳米材料中室温铁磁性的起源。
• 识别MWCNT基质中Fe与Co离子的氧化态及局域对称性。
• 通过TEY与TFY检测模式，确认磁性行为为体相性质而非表面效应。

提出的方法

• 在C K边进行近边X射线吸收谱（NEXAFS），以探测MWCNTs中未占电子态与π键合特性。
• 在Fe与Co L₃,₂边进行X射线磁圆二色谱（XMCD），以探测元素特异性磁矩与自旋极化。
• 采用总电子产额（TEY）与总荧光产额（TFY）检测模式，以区分表面与体相磁性贡献。
• 通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）与能谱分析（EDAX）进行结构与成分表征。
• 在10 K与300 K下于Fe L₃与Co L₃边进行磁滞回线测量，以确认铁磁行为。
• 通过分析XAS与XMCD谱图，依据谱峰特征与二色性符号，确定氧化态（Fe²⁺、Co²⁺）与配位对称性（八面体）

实验结果

研究问题

• RQ1 Fe与Co共掺杂MWCNTs的电子结构如何，特别是关于π键合与未占态的特性？
• RQ2 Fe与Co离子在MWCNTs碳基质中的氧化态与局域对称性为何？
• RQ3 MWCNTs中观察到的铁磁性是否源于Fe或Co离子，且是本征体相性质还是表面效应？
• RQ4 MWCNTs中的磁性行为在室温下是否稳定，其磁有序性质为何？
• RQ5 Fe与Co的3d轨道如何与碳的2p轨道杂化以诱导磁性？

主要发现

• 在C K边的NEXAFS谱显示约285 eV处存在显著的π共振，表明MWCNTs中具有强π键合特性。
• 在Fe与Co L₃,₂边的XMCD谱在10 K下显示出清晰的负二色性信号，证实Fe²⁺与Co²⁺离子处于八面体对称场中。
• 在300 K下测得的磁滞回线在低场区（<1 T）表现出明显的铁磁分量，证明存在室温铁磁性。
• XMCD信号在TEY（表面敏感）与TFY（体相敏感）模式下均被观测到，证实磁响应为体相性质。
• HRTEM图像显示管壁上存在纳米颗粒，证实Fe与Co离子嵌入碳基质中。
• 观察到的铁磁性归因于C基质中的Fe²⁺与Co²⁺离子，其中3d与2p轨道杂化起关键作用。