[论文解读] Size Effect in Electron Paramagnetic Resonance Spectra of Impurity Centers in Diamond Nanoparticles

G. G. Zegrya, D. M. Samosvat+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 16被引用 5

一句话总结

本研究调查了亚微米金刚石纳米颗粒中电子顺磁共振（EPR）谱的尺寸依赖性演化，表明当颗粒尺寸低于临界阈值时，P1中心的超精细分裂因电子波函数离域化和自旋扩散而消失。结果是从结构化的EPR谱转变为无结构的信号，表明纳米金刚石中局域超精细相互作用的丧失。

ABSTRACT

The evolution of the polycrystalline pattern of electron paramagnetic resonance (EPR) spectra of intrinsic and induced paramagnetic centers in an ensemble of submicrometer diamond particles on diminishing average particle size is considered. Recent experimental data unambiguously demonstrate consistent reduction and then zeroing of typical hyperfine pattern from P1 centers on approaching a certain particle size and below it. These changes are accompanied by appearance and strengthening of new structureless signals. In small particles the electron wave function of a surface paramagnetic center is delocalized over the whole nanoparticle. In result the electron spin "experiences" the average field of all surrounding nuclei, which is zero. At the same time, the paramagnetic centers localized in the bulk of a nanoparticle are also cut off the hyperfine interaction due to the electron spin diffusion. Thus, upon the nanodiamond particle size decreases the hyperfine related features of the polycrystalline EPR spectrum become weaker and the spectrum appear to be structureless.

研究动机与目标

• 理解减小金刚石纳米颗粒尺寸如何影响杂质中心的电子顺磁共振（EPR）谱。
• 解释实验观察到的现象：随着颗粒尺寸减小，P1中心的超精细结构逐渐减弱并最终消失。
• 研究电子波函数离域化和自旋扩散在纳米金刚石中超精细相互作用被抑制中的作用。
• 阐明在小颗粒中观测到的无结构EPR信号的起源。
• 确定超精细特征在EPR谱中不再可分辨的临界尺寸阈值。

提出的方法

• 分析具有不同平均尺寸的亚微米金刚石颗粒多晶颗粒系的实验EPR谱。
• 模拟随着颗粒尺寸减小，表面和体相顺磁中心的电子自旋行为。
• 应用量子力学原理，描述小颗粒中电子波函数在整个纳米颗粒上的离域化。
• 应用自旋扩散理论，解释随着颗粒尺寸缩小，体相中心的超精细相互作用被抑制的现象。
• 计算电子自旋所经历的有效核场，表明在离域态下其平均值为零。
• 比较不同颗粒尺寸下的EPR谱特征，以确定超精细结构消失的临界尺寸阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 金刚石纳米颗粒中P1中心的超精细分裂在何种颗粒尺寸下完全消失？
• RQ2 小颗粒中电子波函数的离域化如何影响观测到的EPR谱？
• RQ3 自旋扩散在抑制体相顺磁中心超精细相互作用中起什么作用？
• RQ4 为何小尺寸金刚石纳米颗粒的EPR谱即使存在顺磁中心也呈现无结构？
• RQ5 随着纳米颗粒尺寸减小，电子自旋所经历的平均核场如何变化？

主要发现

• 当平均颗粒尺寸低于临界阈值时，金刚石纳米颗粒中P1中心的超精细分裂完全消失。
• 在低于该临界尺寸的颗粒中，表面顺磁中心的电子波函数在整颗颗粒上离域化，导致有效核场为零。
• 随着颗粒尺寸减小，体相中心的自旋扩散也抑制了超精细相互作用，促进了谱线简化。
• 从结构化到无结构EPR谱的转变伴随着新出现的、宽而无特征的信号的增强。
• 超精细结构的丧失并非仅由局部电子环境变化引起，而主要源于核场的离域化和平均化。
• 超精细特征消失的临界尺寸与电子波函数的空间范围及颗粒的几何限域一致。