Size dependence of¹³C nuclear spin-lattice relaxation in micro- and nanodiamonds

Abstract

Size dependence of physical properties of nanodiamond particles is of crucial importance for various applications in which defect density and location as well as relaxation processes play a significant role. In this work, the impact of defects induced by milling of micron-sized synthetic diamonds was studied by magnetic resonance techniques as a function of the particle size. EPR and (13)C NMR studies of highly purified commercial synthetic micro- and nanodiamonds were done for various fractions separated by sizes. Noticeable acceleration of (13)C nuclear spin-lattice relaxation with decreasing particle size was found. We showed that this effect is caused by the contribution to relaxation coming from the surface paramagnetic centers induced by sample milling. The developed theory of the spin-lattice relaxation for such a case shows good compliance with the experiment.

XRD, NMR, and EPR study of polycrystalline micro‐ and nano‐diamonds prepared by a shock wave compression method

“…In contrast with the series of commercial monocrystalline powders, obtained by crushing and grading of micron size HPHT diamonds [28,33], samples containing smallest particles show the same characteristic EPR signals and even the same (within the experimental error) EPR parameters as samples containing the largest particles. In fact, line shapes, line widths, and even density of main paramagnetic defects are practically the same.…”

“…Since the SSX ND samples reveal (i) well-ordered cubic diamond regions, (ii) multiple twins and stacking faults, and (iii) presence of paramagnetic defects (detected by EPR) affecting nuclear spin-lattice relaxation by their interaction with nuclear spins, we fit the magnetization recovery curves M(t) on measuring the spin-lattice relaxation time T 1 by a sum of two stretched exponentials: As it was recently established, smaller diamond particles usually show shorter nuclear spin-lattice relaxation time than the larger ones [25,28]. Therefore, the faster relaxation component is attributed to carbons of the defective cubic diamond fractions of smaller size, while the slower relaxation component is attributed to the wellordered diamond fractions of larger size.…”

Идентификация Парамагнитных Центров Азота (Р1) В Алмазных Кристаллитах, Получаемых Спеканием Детонационных Наноалмазов При Высоком Давлении И Температуре

“…Однако уменьшение размеров до уровня ∼ 0.1 µm приводит к тому, что СТС постепенно размывается и исчезает при достижении среднего размера наноча-стиц ∼ 20−25 nm. Такой эффект наблюдался в [11,12] при двухстадийном размоле алмазных микрокристалли-тов и последующем фракционировании водной суспен-зии алмазных наночастиц с выделением супертонкой фракции наночастиц со средним размером < 30 nm. Существенно, что объемное содержание парамагнит-ного азота во фракции наночастиц при этом остава-лось таким же, как и в исходных микрокристаллах алмаза, т. е.…”

“…∼ 150 ppm. Исчезновение СТС ЭПР-сигнала от P1-центров по мере размола связывалось в [11] с обменным взаимодействием P1-и других парамагнитных центров на поверхности алмазных частиц. Предпола-галось, что размол кристаллитов приводит к форми-рованию приповерхностной области центров со спи-ном 1/2.…”

“…Причиной этого является сильное обменное взаимодействие па-рамагнитного азота с окружающими парамагнитными центрами, локализованными вблизи поверхности ДНА в превалирующей концентрации до 1000 ppm. Обменное взаимодействие в кластерах парамагнитных центров ни-велирует их индивидуальность и обуславливает широ-кую синглетную линию ЭПР в соответствии с гипотезой, высказанной в [11].…”