xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Μαγνητικές Iδιότητες Nανοσωλήνων Άνθρακα Εµπλουτισµένων µε Βόριο
Β. Λυκοδήµος 1* , Σ. Γλένης 1 and C. L. Lin 2
1 Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Πανεπιστήµιο Αθηνών, Πανεπιστηµιούπολη,
157 84 Ζωγράφου, Αθήνα
2 Department of Physics, Temple University, Philadelphia, Pennsylvania 19122, USA
*likodimo@gel.demokritos.gr
Ο εµπλουτισµός των νανοσωλήνων του άνθρακα (CNs) µε ετεροάτοµα βορίου (Β) και αζώτου (Ν) που µπορούν να
ενσωµατωθούν άµεσα στο εξαγωνικό κρυσταλλικό πλέγµα του γραφίτη, έχει αναδειχθεί ως ένας ιδιαίτερα υποσχόµενος
τρόπος για την προσαρµογή των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων µε στόχο να αυξηθεί η λειτουργικότητα και η
προοπτική των εφαρµογών τους σε διάφορες αναδεικνυόµενες τεχνολογίες [1]. Ειδικότερα, ο κβαντικός περιορισµός στη
µονοδιάστατη γεωµετρία των νανοσωλήνων έχει προβλεφθεί ότι δηµιουργεί εντοπισµένες καταστάσεις στους
εµπλουτισµένους CNs µε άτοµα B και Ν, σε αναλογία µε τις στάθµες αποδεκτών και δοτών στους ηµιαγωγούς, οδηγώντας
στον αυθόρµητο σχηµατισµό ετεροδοµών στη κλίµακα τoυ νανοµέτρου [2]. Επιπλέον, η παρουσία ισχυρά εντοπισµένων
ενεργειακών καταστάσεων σε δοµές BNC έχει προβλεφθεί ότι µπορεί να οδηγήσει σε σιδηροµαγνητική κατάσταση, ενώ
πρόσφατα η παρουσία ατοµικών καταστάσεων εντοπισµένων στα τεθλασµένα (zig-zag) όρια που ενώνουν τα τµήµατα C και
BN σε νανοσωλήνες C/BN έχει προβλεφθεί ότι ευνοεί την εµφάνιση µαγνητισµού σε αναλογία µε τους µεταλλικούς
σιδηροµαγνήτες [3]. Στην παρούσα εργασία, πραγµατοποιήσαµε µια συστηµατική πειραµατική µελέτη των µαγνητικών και
ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των εµπλουτισµένων µε βόριο νανοσωλήνων του άνθρακα πολλαπλών τοιχωµάτων (Β-MWNTs),
χρησιµοποιώντας µετρήσεις στατικής µαγνήτισης και ηλεκτρονικού συντονισµού σπιν (ESR).
Το σχήµα 1 δείχνει τις ισόθερµες καµπύλες µαγνήτισης M(H) Τ των Β-MWNTs σε διάφορες θερµοκρασίες, όπου
παρατηρείται ένα ευκρινές σιδηροµαγνητικό (FM) σήµα σε αντίθεση µε την ισχυρά διαµαγνητική απόκριση των µη
εµπλουτισµένων MWNTs [4]. Σε υψηλά µαγνητικά πεδία, παρατηρείται επίσης µια αρνητική κλίση της M(H) Τ , ενδεικτική
ενός γραµµικού διαµαγνητικού όρου. Για την εκτίµηση της συνεισφοράς αυτής, οι ισόθερµες µαγνητικές καµπύλες
αναλύθηκαν χρησιµοποιώντας τη σχέση Μ(Η, Τ)= Μ FM + Μ dia = M 0 L(µH/kT) + χ dia H, όπου L(µΗ/kΤ) είναι η συνάρτηση
Langevin, µ η µέση ροπή ανά σιδηροµαγνητικό σωµατίδιο και Μ 0 η αντίστοιχη µαγνήτιση κορεσµού, ενώ χ dia είναι η
διαµαγνητική επιδεκτικότητα. Με τον τρόπο αυτό µπορεί να επιτευχθεί ικανοποιητική περιγραφή των πειραµατικών
δεδοµένων για διαφορετικές τιµές του µ σε διάφορες θερµοκρασίες και τη µαγνήτιση κορεσµού Μ 0 να κυµαίνεται µεταξύ
των τιµών 0.10-0.08 emu/g στην περιοχή θερµοκρασιών 2-200 Κ. Το µέγεθος της διαµαγνητικής επιδεκτικότητας χ dia
βρέθηκε ότι µεταβάλλεται ασθενώς µεταξύ των τιµών -7.0 και -7.5 x 10 -7 emu/g στην περιοχή θερµοκρασιών 2-200 Κ,
µεταβολή που είναι πολύ µικρότερη από εκείνη των καθαρών MWNTs. Το αποτέλεσµα αυτό συµφωνεί µε τη δράση του Β
ως αποδέκτη, το οποίο στα πλαίσια του ενεργειακού µοντέλου ζωνών του γραφίτη, οδηγεί στη µετατόπιση της στάθµης
Fermi προς τη ζώνη σθένους και τη µείωση της τροχιακής διαµαγνητικής επιδεκτικότητας. Για να εκτιµήσουµε την
τελευταία συνεισφορά, χρησιµοποιούµε ένα απλό µοντέλο για τη µέση µαγνητική απόκριση µιας συλλογής νανοσωλήνων
προσανατολισµένων σε τυχαίες κατευθύνσεις, οι οποίες λαµβάνουν υπ’ όψιν την κυλινδρική µορφή των CNs. Σε υψηλά
µαγνητικά πεδία, όπου η κβαντισµένη τροχιά των ηλεκτρονίων που περιορίζεται από το µαγνητικό µήκος l H =(ħc/eH) 1/2 , είναι
µικρότερη από την περίµετρο των νανοσωλήνων, η διαµαγνητική επιδεκτικότητα χ dia εκφράζει κυρίως το γεωµετρικό µέσο
όρο χ av =(2χ ⊥ +χ || )/3 των κυλινδρικά ελισσόµενων επιπέδων γραφίτη, όπου χ ⊥ και χ || είναι οι ανισοτροπικές συνιστώσες της
επιδεκτικότητας για µαγνητικό πεδίο που εφαρµόζεται κάθετα και παράλληλα στον άξονα του νανοσωλήνα, αντίστοιχα. Σε
αυτή την περίπτωση, η χ || προσεγγίζει την ατοµική
M (emu/g)
0.08
0.04
0.00
-0.04
-0.08
-0.12
-0.16
-0.20
-0.24
B-doped MWNT
Pure-MWNT
200 K
100 K
60 K
2 K
χ dia
~ -7.5x10 -7 emu/g Oe
0 10 20 30 40 50
H (kOe)
2 K
100 K
200 K
Σχήµα 1. Η ισόθερµος µεταβολή της µαγνήτισης Μ των Β-
MWNTs ως συνάρτηση του µαγνητικού πεδίου σε διάφορες
θερµοκρασίες, σε σύγκριση µε τα αντίστοιχα δεδοµένα
καθαρών MWNTs.
επιδεκτικότητα του άνθρακα χ || =χ a ≈-0.3×10 -6 emu/g, ενώ η
χ ⊥ δίνεται από το µέσο όρο χ ⊥ = (χ c +χ a )/2, όπου χ c η
συνιστώσα της επιδεκτικότητας σε πεδίο κάθετο στα
επίπεδα του γραφίτη, η οποία εκφράζει τη µεγάλη τροχιακή
διαµαγνητική συνεισφορά στην επιδεκτικότητα. Η
διαµαγνητική επιδεκτικότητα αντιστοιχεί τότε στην
έκφραση χ dia =(χ c +2χ a )/3 και η τροχιακή συνεισφορά
χ or ≡χ c −χ a εξάγεται από τα πειραµατικά δεδοµένα ως
χ or =3(χ av −χ a ). Η τροχιακή επιδεκτικότητα βρέθηκε έτσι να
µεταβάλλεται µεταξύ -1.4×10 -7 και -1.2×10 -7 emu/g στην
περιοχή θερµοκρασιών 2-200 Κ. Εφαρµόζοντας το
δισδιάστατο µοντέλο ζωνών του γραφίτη για την τροχιακή
επιδεκτικότητα βρίσκουµε ακολούθως τη θερµοκρασία
εκφυλισµού των εξωτερικών φορέων T 0 = E F0 /k B ≈ 2600 Κ
ή E F0 ≈ 0.22 eV [5].
Το φάσµα ESR των B-MWNTs αποτελείται από µια
λεπτή ασύµµετρη γραµµή συντονισµού, η οποία είναι
χαρακτηριστική αγώγιµων δειγµάτων όταν το πάχος του
δείγµατος είναι συγκρίσιµο του επιδερµικού βάθους. Στην
περίπτωση αυτή, το επιδερµικό φαινόµενο προκαλεί
διαφοράς φάσης µεταξύ της ηλεκτρικής και της µαγνητικής
συνιστώσας του πεδίου µικροκυµάτων, οδηγώντας στην
παρουσία διασποράς στα φάσµατα απορρόφησης και στην
99