缺陷结构与石墨铁磁性的关联性研究

摘要

石墨的铁磁有序已经研究了很长一段时间，而且已经有大量的文献指出石墨的铁磁性是石墨的本质特性，与石墨的缺陷有关。但是在石墨中存在的缺陷类型有很多，到底哪一种缺陷使得石墨产生了磁性呢?近年来，有大量的文献指出通过离子注入的方式在石墨中产生的空位缺陷、间隙原子缺陷和空位吸附H等缺陷会具有净余磁矩，从而使得石墨具有铁磁性。我们都知道离子注入方式使得石墨产生了具有净余磁矩的缺陷，但是同时它也会导致石墨内部结构发生变化，到底是何种结构变化和石墨的铁磁性具有直接关系呢?一直也没有一个很好的解释。所以本文从实验上用原位XRD测量方法和测量拉曼光谱方法来分析离子注入后石墨内部结构的变化情况，然后用近边X射线吸收谱方法研究离子注入后石墨内部化学结构的变化。
　　 本文采用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，从而使石墨具有磁性。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，注入在缺陷层增加最大铁磁饱和磁矩可以达到9.3emu/g;如果注入剂量超过2×1015cm-2，石墨磁性随着注入剂量增加而减弱，主要是因为此时石墨内部变成无序结构，破坏了石墨缺陷磁矩之间的耦合作用。所以石墨铁磁有序确实与缺陷有关，通过适当调节注入剂量可以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。注入的离子及形成的缺陷在表面缺陷层的分布是属于高斯分布，在平均阻止深度里的缺陷和离子是最多的。所以我们采用多次不同能量注入的方法，使石墨的缺陷层的缺陷密度尽量均匀分布，发现石墨的铁磁还能再次继续增加。因此石墨的铁磁性与缺陷有关，通过改变离子注入能量和离子注入剂量能有效调控石墨铁磁有序。根据研究得知，碳离子注入高定向热解石墨后引起的空位缺陷是使石墨产生磁性的主要原因，而在200℃退火一小时后，发现空位缺陷明显减少使得磁性消失。既然碳离子注入产生了空位缺陷，那么它肯定也会引起石墨内部结构的变化，所以我们用原位XRD测量方法研究了石墨内部结构的变化与石墨磁性变化的系。实验表明在离子注入后的样品谱线(002)峰附近发现有其他的峰形成，说明原子相互作用减弱，从而使得缺陷形成，导致层间距变大。伴随着退火过程，(002)主峰旁边的其它小峰逐渐消失，而经过200℃退火后主峰附近的其它小峰全部消失。而后我们又分别测量了在不同温度下的XRD图谱，发现随着温度的升高衍射峰的峰位角在逐渐的减小，可见石墨产生了缺陷从而使得层间距在逐渐的增大。我们在不同能量多次注入中我们发现在开始的注入过程中随着注入的增多石墨的铁磁性在逐渐的变强，而当注入量过大时，也就是超过2×1015cm-2的时候，石墨的铁磁性又开始变小。我们分别测量了几步注入后样品的拉曼光谱，企图找到石墨磁性变化与石墨内部结构的变化的关系。通过测量我们发现，在注入量过大时，在～1140cm-1处会观察到一个峰，说明石墨的六环结构开始遭到破坏，也预示着高有序石墨开始向无序结构变化。