Untersuchung von Kohlenstoffnanoröhren durch Innendotierung mit paramagnetischen Spinsonden
Final Report Abstract
Die elektronischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, CNT) können durch „Innendotierung“ mit Fullerenen verändert werden, wie durch Transportmessungen an einzelnen CNT bereits von anderen Arbeitsgruppen nachgewiesen werden konnte. Als alternative Methode zum Studium der elektronischen Eigenschaften von nicht kontaktierten, makroskopischen Proben steht die EPR zur Verfügung, mit der sowohl „nicht-resonant“ die Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern im GHz Bereich als auch die Spindynamik von gezielt eingebrachten Spinsonden untersucht werden kann. Dazu eignen sich sowohl „inerte“ Spinsonden auf der Basis von N@C60, als auch Metallo-Endofullerene, bei denen direkter Überlapp mit den delokalisierten Zuständen der CNT Ladungs- und Spintransfer erfolgen kann. Unsere Untersuchungen konnten den antizipierten Spin- und Ladungstransfer von MEF zu CNT durch den Kollaps der Hyperfein- Wechselwirkung des Metallions eindeutig belegen. Weiterhin ist es durch unsere Messungen gelungen, die EPR Signatur beweglicher „metallischer“ Ladungsträger zu bestimmen. Hierzu war es erforderlich Messungen auch bei sehr hohen Mikrowellenfrequenzen (320 GHz) durchzuführen. Die theoretisch vorhergesagte deutliche Verschiebung des g Faktors vom Wert des freien Elektrons (2.0023) zu Werten von 2.07 auf Grund der chiralen Bewegung der Elektronen im quasi eindimensionalen System der CNT konnte so experimentell bestätigt werden. Streng lokalisierte Defektspins wurden bei Temperaturen unterhalb 50 K ebenfalls beobachtet und zeigten sowohl den „klassischen“ g = 2 Wert als auch Hyperfeinwechselwirkung zu 13C Kernspins (in natürlicher Häufigkeit). Da uns CNT Material hoher Reinheit ohne para- oder ferromagnetische Verunreinigungen aus der Arbeitsgruppe von K. Hata (Tsukuba) zur Verfügung stand, war es möglich, die Temperaturabhängigkeit der EPR sichtbaren Spinsuszeptibilität von Raumtemperatur bis zu Heliumtemperaturen zu bestimmen. Wir beobachteten, dass die Signale der „metallischen“ Ladungsträger nur bis zu 50 K beobachtet werden konnten, da wegen der doch erheblichen Defektkonzentration bei noch tieferen Temperaturen zunehmend Lokalisation der beweglichen Ladungsträger erfolgt.
Publications
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EPR investigation of N@C70 in polycrystalline C70 and single wall carbon nanotubes, Mol. Phys. 105 (2007) 2161-2168
B. Corzilius, P. Jakes, N. Weiden, S. Agarwal, and K.-P. Dinse
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Single wall carbon nanotubes and peapods investigated by EPR, Phys. Chem. Chem. Phys. 9 (2007) 6063-6372
B. Corzilius, K.-P. Dinse, and K. Hata
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Electron Paramagnetic Resonance Investigation of Metallo-Endofullerene Derived Carbon Nanotube Peapods, J. Chem. Phys. 128 (2008) 052306
P. Jakes, A. Gembus, K.-P. Dinse, and K. Hata
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Multi-Frequency EPR and DC Conductivity of Itinerant Spins in Single-Wall Carbon Nanotubes, Appl. Magn. Reson. 37 (2010) 595-603
K.-P. Dinse, J. van Tol, A. Ozarowski, and B. Corziliu
