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将石墨颗粒样品在200℃下退火一个小时,发现离子注入形成的空位缺陷和增加的铁磁同时消失,揭示空位缺陷与石墨铁磁有序密切相关。 理论计算发现除了空位具有净余磁矩外,空位与H结合的缺陷也有净余磁矩,因此我们结合磁性测量和C元素的近边X射线吸收谱的全电子产额谱(TEY)和荧光电子产额谱(FY)来研究石墨注入前后化学结构变化与石墨铁磁有序的关系,发现15keV的H+注入和50keV的12C+注入都能使石墨缺陷层的π键与。键的比例(Iπ/Iσ)发生变化,离子注入使π键相对于6键增多。15keV的H+注入(1×1015cm-2)使石墨的缺陷层具有了明显的六圆环加H的吸收峰,揭示空位缺陷与H结合形成C-H键。大剂量(1×1016cm-2)注入15keV的H+能够形成更多的C-H键,并且还能够在FY谱中观测到281.6eV的吸收峰,揭示石墨被大剂量H+注入后形成了空位团,导致石墨局域结构无序。50keV 12C+注入后,石墨颗粒样品的TEY谱和FY谱在281.6eV也有吸收峰,通过拟合发现吸收峰实际是由两个小峰组成,强度比为2.2099-2.4632,揭示如果281.6eV对应的吸收峰是空位或多空位,那缺陷周围主要有两个位置的碳原子对吸收峰有影响,对应的电子密度比为2.2099-2.4632。
目前已经有大量实验研究报道碳材料具有铁磁有序,指出碳材料的铁磁性是碳材料的本质特性,与缺陷有关。但是在碳材料中存在的缺陷种类繁多,实验上很难确定到底是哪类缺陷对碳材料铁磁有贡献。并且关于缺陷之间的磁相互作用问题一直都没有一个最直接的解释。所以本论文主要的工作是从实验上对石墨颗粒的“铁磁性”进行了研究,探讨石墨的铁磁有序机理。 理论研究已经表明空位缺陷、间隙原子缺陷、空位吸附H的缺陷会具有净余磁矩,这些缺陷都可以通过离子注入的方法在石墨中引入。
我们主要采用12C+注入高定向热解石墨(HOPG)使石墨具有空位缺陷和间隙原子缺陷,研究缺陷与石墨铁磁有序的关系。采用超导量子干涉仪装置测量石墨在注入前后的室温磁性变化,发现12C+注入可以调节石墨铁磁性。当注入剂量≤2×1015cm-2时,石墨的铁磁性随着注入剂量增加而增强,注入在缺陷层中形成铁磁的最大饱和磁矩可以达到9.3emu／g；如果注入剂量达到5×1015cm-2,石墨的铁磁性减弱,主要是因为大剂量注入形成缺陷密度增多使石墨内部结构无序,破坏了石墨缺陷磁矩之间的耦合作用,揭示石墨铁磁有序确实与缺陷有关,通过适当调节注入剂量能调节石墨注入层的缺陷浓度,使石墨缺陷磁矩间的耦合作用增强,从而增强石墨的铁磁性。
石墨的空位缺陷可以捕获电子成为顺磁中心,只要空位缺陷之间有耦合作用就可以形成铁磁。我们结合电子自旋共振和SQUID磁性测量研究石墨的铁磁机理。原始石墨的电子自旋共振峰是典型的Dyson峰型,揭示石墨的导体特性。
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