[论文解读] Size-dependent concentration of N0 paramagnetic centres in HPHT nanodiamonds

Boris Yavkin, G. V. Mamin+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2015

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用 7

一句话总结

本研究利用高频与X波段电子顺磁共振（EPR）谱学方法，调查了高温高压（HPHT）纳米金刚石中氮空位（N⁰）顺磁中心的尺寸依赖性浓度。作者提出了一种核壳模型，解释了随着颗粒尺寸减小，N⁰中心浓度降低的现象，归因于金刚石壳层结构差异，并对经过尺寸校准的样品提供了定量自旋密度估算。

ABSTRACT

Size-calibrated commercial nanodiamonds synthesized by high-pressure high-temperature (HPHT) technique were studied by high-frequency W and conventional X band electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. The numbers of spins in the studied samples were estimated. The core-shell model of the HPHT nanodiamonds was proposed to explain the observed dependence of the concentration of the N0 paramagnetic centers. Two other observed paramagnetic centers are attributed to the two types of structures in the nanodiamond shell.

研究动机与目标

• 理解商业HPHT纳米金刚石中N⁰顺磁中心的尺寸依赖性行为。
• 确定颗粒尺寸如何影响N⁰中心的浓度，特别是与表面和结构效应的关系。
• 提出一个核壳模型，以解释不同尺寸纳米金刚石中观测到的EPR信号趋势。
• 利用高频和常规X波段EPR谱学，量化HPHT纳米金刚石样品中未成对自旋的数量。

提出的方法

• 采用高频（HF-EPR）和常规X波段电子顺磁共振（EPR）谱学分析了经过尺寸校准的HPHT纳米金刚石样品。
• 通过EPR信号强度和已知的g因子估算各样品中未成对自旋的数量。
• 提出核壳模型以解释N⁰中心浓度的尺寸依赖性变化，假设核心无缺陷而壳层存在缺陷。
• 在壳层中识别出两个额外的顺磁中心，并将其归因于金刚石表面层中不同的结构构型。
• 理论分析将观测到的EPR信号趋势与纳米金刚石的比表面积联系起来，强调了表面相关缺陷的形成机制。
• 样品经过尺寸校准，以实现不同颗粒直径下N⁰中心浓度的定量比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HPHT合成材料中，随着纳米金刚石颗粒尺寸减小，N⁰顺磁中心的浓度如何变化？
• RQ2 HPHT纳米金刚石的哪些结构特征可解释N⁰中心观测到的尺寸依赖性EPR信号趋势？
• RQ3 金刚石表面（壳层）在顺磁缺陷（如N⁰及其他中心）的形成与浓度中起何种作用？
• RQ4 核壳模型能否对一系列不同尺寸的纳米金刚石实验EPR数据进行定量解释？
• RQ5 随着颗粒尺寸变化，核心与壳层对总顺磁信号的相对贡献如何变化？

主要发现

• EPR测量结果在经过尺寸校准的样品中确认，N⁰顺磁中心的浓度随纳米金刚石颗粒尺寸减小而显著降低。
• 核壳模型成功解释了N⁰中心浓度的尺寸依赖性趋势，表明在较小颗粒中壳层对顺磁中心的贡献显著更高。
• 在壳层中识别出两个额外的顺磁中心，归因于不同的结构缺陷，其信号随颗粒尺寸系统性变化。
• 通过EPR信号强度推导出自旋密度估算值，实现了对不同尺寸纳米金刚石中顺磁缺陷浓度的定量比较。
• 观测到的EPR信号趋势与以表面为主导的缺陷形成机制一致，其中较小颗粒具有更高的比表面积，因此表现出更高的相对缺陷浓度。