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將石墨顆粒樣品在200℃下退火一個小時,發現離子注入形成的空位缺陷和增加的鐵磁同時消失,揭示空位缺陷與石墨鐵磁有序密切相關。 理論計算發現除了空位具有凈余磁矩外,空位與H結合的缺陷也有凈余磁矩,因此我們結合磁性測量和C元素的近邊X射線吸收譜的全電子產額譜(TEY)和熒光電子產額譜(FY)來研究石墨注入前后化學結構變化與石墨鐵磁有序的關系,發現15keV的H+注入和50keV的12C+注入都能使石墨缺陷層的π鍵與。鍵的比例(Iπ/Iσ)發生變化,離子注入使π鍵相對于6鍵增多。15keV的H+注入(1×1015cm-2)使石墨的缺陷層具有了明顯的六圓環加H的吸收峰,揭示空位缺陷與H結合形成C-H鍵。大劑量(1×1016cm-2)注入15keV的H+能夠形成更多的C-H鍵,并且還能夠在FY譜中觀測到281.6eV的吸收峰,揭示石墨被大劑量H+注入后形成了空位團,導致石墨局域結構無序。50keV 12C+注入后,石墨顆粒樣品的TEY譜和FY譜在281.6eV也有吸收峰,通過擬合發現吸收峰實際是由兩個小峰組成,強度比為2.2099-2.4632,揭示如果281.6eV對應的吸收峰是空位或多空位,那缺陷周圍主要有兩個位置的碳原子對吸收峰有影響,對應的電子密度比為2.2099-2.4632。
目前已經有大量實驗研究報道碳材料具有鐵磁有序,指出碳材料的鐵磁性是碳材料的本質特性,與缺陷有關。但是在碳材料中存在的缺陷種類繁多,實驗上很難確定到底是哪類缺陷對碳材料鐵磁有貢獻。并且關于缺陷之間的磁相互作用問題一直都沒有一個最直接的解釋。所以本論文主要的工作是從實驗上對石墨顆粒的“鐵磁性”進行了研究,探討石墨的鐵磁有序機理。 理論研究已經表明空位缺陷、間隙原子缺陷、空位吸附H的缺陷會具有凈余磁矩,這些缺陷都可以通過離子注入的方法在石墨中引入。
我們主要采用12C+注入高定向熱解石墨(HOPG)使石墨具有空位缺陷和間隙原子缺陷,研究缺陷與石墨鐵磁有序的關系。采用超導量子干涉儀裝置測量石墨在注入前后的室溫磁性變化,發現12C+注入可以調節石墨鐵磁性。當注入劑量≤2×1015cm-2時,石墨的鐵磁性隨著注入劑量增加而增強,注入在缺陷層中形成鐵磁的最大飽和磁矩可以達到9.3emu／g；如果注入劑量達到5×1015cm-2,石墨的鐵磁性減弱,主要是因為大劑量注入形成缺陷密度增多使石墨內部結構無序,破壞了石墨缺陷磁矩之間的耦合作用,揭示石墨鐵磁有序確實與缺陷有關,通過適當調節注入劑量能調節石墨注入層的缺陷濃度,使石墨缺陷磁矩間的耦合作用增強,從而增強石墨的鐵磁性。
石墨的空位缺陷可以捕獲電子成為順磁中心,只要空位缺陷之間有耦合作用就可以形成鐵磁。我們結合電子自旋共振和SQUID磁性測量研究石墨的鐵磁機理。原始石墨的電子自旋共振峰是典型的Dyson峰型,揭示石墨的導體特性。
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