【要旨】rGO-Fe3O4複合体における巨大な交流磁気伝導特性
磁性・磁性材料学会誌
第499巻、2020年4月1日発行、166174号
研究論文
著者リンクオーバーレイパネルKhush BakhatAkramabSadiaManzoorb
https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.166174
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要 旨
この研究では、還元型酸化グラフェン（rGO）とマグネタイトナノ粒子の複合材料の構造、交流伝導、磁気伝導特性について、周波数範囲10 Hz-2 MHz、最大500 mTの静磁場で測定した結果を詳細に報告します。
マグネタイトの導電率はrGOのそれよりも5桁も低いにもかかわらず、複合体試料の交流導電率は純粋なrGOのそれよりも約3倍も向上していた。これは、マグネタイトナノ粒子とrGOマトリックスとの間の電荷移動効果によるものであると考えられる。このことは、すべての試料の詳細なラマン分析でも確認されている。さらに、複合試料の交流輸送挙動に巨大な磁気伝導を見出した。rGO試料は室温で〜15%の負の磁気伝導を示したが、すべての複合試料は10Hzから254kHzの間で弱い周波数依存性を持つ正の磁気伝導を示した。40 wt%のマグネタイトナノ粒子を含む試料では、磁場B = 500 mTにおいて、室温で57%（f = 254 kHz）、40%（f = 10 Hz）の交流磁気伝導を報告する。これは、直流磁気輸送で得られる磁気伝導率よりもはるかに大きく、同様の複合材料の室温磁気伝導率は、同等の磁場において通常10%以下である。
はじめに
グラフェンは、弾道的な電荷輸送、高い電気・熱伝導性、優れた光透過性、高い機械強度、2次元性などのユニークな特性を持っており、超高速エレクトロニクス、光エレクトロニクス、スピントロニクスなどの未来的応用への可能性を秘めている [1], [2], [3]．単層グラフェン（SLG）は、多くのデバイスへの応用に成功しているが[4], [5], [6]、その応用を拡大・最適化するためには、まだ解決すべき課題が残っている。それらは、比較的高い導電率の最小値と、電荷中性点でもバンドギャップのない金属的な性質である[7], [8]。さらに、これらのデバイスは、基板に依存する電荷キャリアの不均一性に敏感であり、その輸送挙動に重大な影響を与える[9]。
グラフェンの優れた特性のいくつかに近づけるための代替アプローチとして、還元型酸化グラフェン（rGO）[10]、あるいは3次元グラフェン[12]の形で生産することが考えられる。これらの材料では、グラフェンシート間にさまざまな金属や金属酸化物をインターカレートすることが可能である。これらはスペーサーとして機能するだけでなく、多層グラフェン型ナノ構造体に機能性を付与することも可能である。このような機能化グラフェンベースのナノ複合体は、ナノエレクトロニクス（13）、（14）、（15）、環境浄化（16）、（17）、生物医学（18）、（19）、太陽電池（20）、リチウムイオン電池（21）、スーパーキャパシタ（22）などのエネルギー応用といった分野で多くの応用が期待されている。これらの系は、非常に興味深く、多様な性質と豊かな物理を示すため、より深く研究する価値があります。
グラフェンに強磁性を導入することは、特にスピントロニクス応用の観点から、科学者にとって長年の夢であり、非常に魅力的な目標であった。sp2結合を持つ炭素のみからなる純粋なグラフェンは、基本的に反磁性であり、弱い強磁性は欠陥やドーパントによってのみ外挿される[23], [24], [25]。rGO の強磁性は、グラフェンよりも最大で1桁強いと報告されており[26], [27]、その高い欠陥密度が原因であるとされている。しかし、rGOの室温磁化は1 emu/g以下に留まっている。このような背景から、磁性ナノ構造とグラファイトナノ構造からなるハイブリッド材料は、グラフェンやグラフェン類似材料に磁気機能を導入するための魅力的な手段であるといえる。グラフェン上に遷移金属原子を配置すると、遷移金属原子のd軌道からグラフェンのp軌道への電荷移動が起こり[28]、磁気輸送[31], [32], [33]挙動と同様に、輸送にも影響を与えることが分かっている[29], [30]-[29]. このような2次元系における界面電荷移動と電子輸送の関係は、これらの系の輸送特性や磁気輸送特性を完全に理解するために、さらに研究する必要がある。
磁性材料の中でもマグネタイト（Fe3O4）は，大きな飽和磁化（MS = 87 emu/g），高いキュリー温度（TC = 845 K），高いスピン分極率（34），生理環境における低毒性および生体適合性などの特徴から，磁性材料の中で特異な位置を占めている[34]．本研究では、Fe3O4-rGO 複合体を合成し、複合体中のマグネタイトの含有量を 20 wt% から 80 wt% まで変化させた。試料のラマン分光分析により、マグネタイトナノ粒子からrGOマトリックスへの電荷移動が明確に証明された。この電荷移動がFe3O4-rGO複合体の交流伝導性に及ぼす影響を、最大500mTの静磁場の存在下、10Hz-2MHzの周波数領域で調べた。その結果、Fe3O4-rGO複合体は、交流磁気伝導において、直流磁気伝導よりもはるかに大きな磁気伝導を示すことが明らかとなった。ここでは、交流磁気伝導度を、静磁場存在下での複素伝導度の実部変化、すなわち.NMRと定義する。グラフェンやrGOベースの複合材料の磁気伝導は、直流磁気抵抗（MR）の観点から科学文献で広く研究されている。MRは、静磁場中で直流電流を流したときの抵抗値の変化をゼロ磁場抵抗で規格化したもの、すなわち.MRとして定義される。Liao ら [31] は、グラフェン-Fe3O4 接合の磁気抵抗を測定し、B = 5 T、室温で-4％強であることを明らかにした。Bhattacharya ら [32] は、rGO-CoFe2O4 複合体の磁気コンダクタンス (MC) を、B = 1.8 T、室温で約 67% という大きな値で測定しています。同様に、Baskeyら[33]は、1.8 Tの磁場におけるrGO-ZnCo2O4複合体の23%の磁気抵抗を報告しています。これらのすべての研究において、室温での磁気抵抗（または磁気伝導）の大きさは、500 mT以下の磁場で通常〜5%またはそれ以下であることが分かっています。このため、これらの磁気抵抗効果の応用はほとんど現実的ではありません。本研究では、Fe3O4-rGO複合体の交流伝導度が、500 mTの低直流磁場と10 Hzの低周波数において、室温で最大51%変化することを見いだした。磁気伝導度は非常に弱い周波数依存性を示し、254 kHzまで周波数を上げると最大57%に達する。様々な材料における直流磁気伝導の研究は盛んに行われているが、交流磁気伝導測定における磁場の影響に関する研究はこれまでなかった。本研究で見出された低磁界での巨大な交流磁気伝導効果は、これまで報告されておらず、様々な磁電応用に非常に有用であると考えられる。
セクションの抜粋
実験の詳細
Fe3O4-グラフェンナノコンポジットの合成では、まず、修正ハマー法 [35] を用いて酸化グラフェン（GO）を合成した。平均粒径 25 µm の高品質膨張性グラファイト粉末（Aldrich、純度 99.99%）を前駆体として用いた。rGO は、酸化グラフェンをオーブンで乾燥し、生成ガス（95% N2 + 5% H2）300sccmフロー下で800℃、1時間熱還元して調製した。
Fe3O4-rGO 複合体を調製するために、適量の FeCl3-6H2O、FeCl2-4H2O および
結果および考察
すべての試料の構造的および形態的特性を、X 線回折（XRD）、ラマン分光法および走査型電子顕微鏡（SEM）により調べた。還元型酸化グラフェン（rGO）、Fe3O4-rGO複合体、およびFe3O4ナノ粒子のXRDパターンを図1（a）に示す。
最下段のパネルは、2θ = 26.4°に特徴的な（0 0 2）ピークを持つ還元型酸化グラフェン（rGO）のXRDパターンを示している。このピークの存在は、酸化グラフェン（GO）がうまく還元され、秩序化されたことを示す。
結 論
rGO マトリックスにマグネタイトナノ粒子を組み込むことで、純粋な rGO に比べて複合試料の交流伝導度と磁気伝導度が向上することが示された。最も良い結果は、F40G60 で得られ、純粋な rGO の値の 3 倍まで増加した。ラマンスペクトルから、グラフェンとFe3O4の軌道間のp-d混合による電荷移動が、観測された効果の原因である可能性が指摘された。また、室温での巨大な交流磁気伝導度57%（at.
CRediTの著者による貢献声明
Khush Bakhat Akram: 概念化、調査、可視化、執筆 - 原案、資金獲得。Syed Mohsin ul Hassan: 調査、検証、可視化 Awais Ahmed: 調査、検証。Muhammad Asif Hamayun：調査、検証。Mohsin Rafique：調査、検証 調査 Sadia Manzoor：調査 監修、形式分析、資料、執筆 - 査読と編集、プロジェクト管理、資金獲得。
競合利益に関する宣言
著者らは、本論文で報告された研究に影響を及ぼすと思われる既知の競合する金銭的利益や個人的関係がないことを宣言するものである。
謝 辞
著者（KBAとSM）は、Indigenous 5000 Ph.D. fellowship (PhaseII) PIN no.の研究助成の下、パキスタン高等教育委員会（HEC）から資金援助を受けていることに感謝する。112-22494-2PS1-385。マイクロ・ナノデバイスセンター(CMND)と応用熱物理学研究所(ATPL)からは、研究助成を受けた。(ATPL)のラマン測定および交流伝導度測定への支援に感謝する。
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