The electronic g-tensor calculations are carried out for various paramagnetic defects introduced into hydrogenated diamond nanocrystal C35H36, showing that such a system can be successfully used to model magnetic properties of nanodiamonds (NDs) with paramagnetic centers containing no vacancies. In addition, it is revealed that, depending on the geometric positions in ND, paramagnetic centers of the same type produce noticeable variations of the g-tensor values. A side-by-side comparison of the performance of effective nuclear charge and spin-orbit mean field (SOMF) approaches indicates that the latter is more sensitive to the quality of basis sets, especially concerning diffuse functions, the inclusion of which is found to be nonbeneficial. What is more, the SOMF method also exhibits a much more pronounced gauge-origin dependence. Compared to electronic charge centroid, spin centers (SCs) demonstrate a superior suitability as gauge origins, providing a better agreement with diamagnetic and paramagnetic contributions of g-tensor obtained employing gauge-including atomic orbitals (GIAOs). Therefore, SCs can be recommended for the g-tensor calculations of NDs whenever GIAOs are not available.
REFERENCES
1.
V. N.
Mochalin
, O.
Shenderova
, D.
Ho
, and Y.
Gogotsi
, Nat. Nanotechnol.
7
, 11
(2012
).2.
3.
M.
Chipaux
, K. J.
van der Laan
, S. R.
Hemelaar
, M.
Hasani
, T.
Zheng
, and R.
Schirhagl
, Small
14
, 1704263
(2018
).4.
N.
Nunn
, M.
Torelli
, G.
McGuire
, and O.
Shenderova
, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci.
21
, 1
(2017
).5.
E. K.
Chow
, X.-Q.
Zhang
, M.
Chen
, R.
Lam
, E.
Robinson
, H.
Huang
, D.
Schaffer
, E.
Osawa
, A.
Goga
, and D.
Ho
, Sci. Transl. Med.
3
, 73ra21
(2011
).6.
X.
Wang
, X. C.
Low
, W.
Hou
, L. N.
Abdullah
, T. B.
Toh
, M.
Mohd Abdul Rashid
, D.
Ho
, and E. K.-H.
Chow
, ACS Nano
8
, 12151
(2014
).7.
L. M.
Manus
, D. J.
Mastarone
, E. A.
Waters
, X.-Q.
Zhang
, E. A.
Schultz-Sikma
, K. W.
MacRenaris
, D.
Ho
, and T. J.
Meade
, Nano Lett.
10
, 484
(2010
).8.
J.
Whitlow
, S.
Pacelli
, and A.
Paul
, J. Controlled Release
261
, 62
(2017
).9.
D. E. J.
Waddington
, M.
Sarracanie
, H.
Zhang
, N.
Salameh
, D. R.
Glenn
, E.
Rej
, T.
Gaebel
, T.
Boele
, R. L.
Walsworth
, D. J.
Reilly
, and M. S.
Rosen
, Nat. Commun.
8
, 15118
(2017
).10.
J.
Harmer
, G.
Mitrikas
, and A.
Schweiger
, in High Resolution EPR: Applications to Metalloenzymes and Metals in Medicine
, edited by G.
Hanson
and L.
Berliner
(Springer
, New York
, 2009
), pp. 13
–61
.11.
Z.
Rinkevicius
, K. J.
de Almeida
, and O.
Vahtras
, J. Chem. Phys.
129
, 064109
(2008
).12.
A.
Kubica
, J.
Kowalewski
, D.
Kruk
, and M.
Odelius
, J. Chem. Phys.
138
, 064304
(2013
).13.
J.
Telser
, in Applications of Physical Methods to Inorganic and Bioinorganic Chemistry
, edited by R. A.
Scott
and C. M.
Lukehart
(John Wiley & Sons
, Chichester
, 2007
), pp. 99
–124
.14.
K.
Iakoubovskii
, M.
Baidakova
, B.
Wouters
, A.
Stesmans
, G.
Adriaenssens
, A.
Vul’
, and P.
Grobet
, Diamond Relat. Mater.
9
, 861
(2000
).15.
A.
Shames
, A.
Panich
, W.
Kempiński
, A.
Alexenskii
, M.
Baidakova
, A.
Dideikin
, V.
Osipov
, V.
Siklitski
, E.
Osawa
, M.
Ozawa
, and A.
Vul’
, J. Phys. Chem. Solids
63
, 1993
(2002
).16.
V.
Osipov
, A.
Shames
, T.
Enoki
, K.
Takai
, M.
Baidakova
, and A.
Vul’
, Diamond Relat. Mater.
16
, 2035
(2007
).17.
P. G.
Baranov
, I. V.
Il’in
, A. A.
Soltamova
, A. Y.
Vul’
, S. V.
Kidalov
, F. M.
Shakhov
, G. V.
Mamin
, S. B.
Orlinskii
, and M. K.
Salakhov
, JETP Lett.
89
, 409
(2009
).18.
M.
Dubois
, K.
Guérin
, E.
Petit
, N.
Batisse
, A.
Hamwi
, N.
Komatsu
, J.
Giraudet
, P.
Pirotte
, and F.
Masin
, J. Phys. Chem. C
113
, 10371
(2009
).19.
A.
Soltamova
, I.
Ilyin
, P.
Baranov
, A.
Vul’
, S.
Kidalov
, F.
Shakhov
, G.
Mamin
, S.
Orlinskii
, N.
Silkin
, and M.
Salakhov
, Physica B
404
, 4518
(2009
).20.
A.
Fionov
, A.
Lund
, W.
Chen
, N.
Rozhkova
, I.
Buyanova
, G.
Emel’yanova
, L.
Gorlenko
, E.
Golubina
, E.
Lokteva
, E.
Ōsawa
, and V.
Lunin
, Chem. Phys. Lett.
493
, 319
(2010
).21.
A. A.
Soltamova
, I. V.
Il’in
, F. M.
Shakhov
, S. V.
Kidalov
, A. Y.
Vul’
, B. V.
Yavkin
, G. V.
Mamin
, S. B.
Orlinskii
, and P. G.
Baranov
, JETP Lett.
92
, 102
(2010
).22.
I. V.
Ilyin
, A. A.
Soltamova
, P. G.
Baranov
, A. Y.
Vul
, S. V.
Kidalov
, F. M.
Shakhov
, G. V.
Mamin
, S. B.
Orlinskii
, N. I.
Silkin
, and M. K.
Salakhov
, Fullerenes, Nanotubes, Carbon Nanostruct.
19
, 44
(2010
).23.
L. B.
Casabianca
, A. I.
Shames
, A. M.
Panich
, O.
Shenderova
, and L.
Frydman
, J. Phys. Chem. C
115
, 19041
(2011
).24.
M.
Dubois
, K.
Guérin
, N.
Batisse
, E.
Petit
, A.
Hamwi
, N.
Komatsu
, H.
Kharbache
, P.
Pirotte
, and F.
Masin
, Solid State Nucl. Magn. Reson.
40
, 144
(2011
).25.
B. V.
Yavkin
, V. A.
Soltamov
, R. A.
Babunts
, A. N.
Anisimov
, P. G.
Baranov
, F. M.
Shakhov
, S. V.
Kidalov
, A. Y.
Vul’
, G. V.
Mamin
, and S. B.
Orlinskii
, Appl. Magn. Reson.
45
, 1035
(2014
).26.
C.
Presti
, A. S. L.
Thankamony
, J. G.
Alauzun
, P. H.
Mutin
, D.
Carnevale
, C.
Lion
, H.
Vezin
, D.
Laurencin
, and O.
Lafon
, J. Phys. Chem. C
119
, 12408
(2015
).27.
A. I.
Shames
, D.
Mogilyansky
, A. M.
Panich
, N. A.
Sergeev
, M.
Olszewski
, J.-P.
Boudou
, and V. Y.
Osipov
, Phys. Status Solidi A
212
, 2400
(2015
).28.
V. Y.
Dolmatov
, N. M.
Lapchuk
, T. M.
Lapchuk
, B. T. T.
Nguyen
, V.
Myllymäki
, A.
Vehanen
, and R. Y.
Yakovlev
, J. Superhard Mater.
38
, 219
(2016
).29.
E. V.
Inzhevatkin
, A. V.
Baron
, N. G.
Maksimov
, M. B.
Volkova
, A. P.
Puzyr
, and V. S.
Bondar
, Dokl. Biochem. Biophys.
477
, 394
(2017
).30.
A.
Komarovskikh
, A.
Dmitriev
, V.
Nadolinny
, and Y.
Palyanov
, Diamond Relat. Mater.
76
, 86
(2017
).31.
T. L.
Petrenko
and V. P.
Bryksa
, J. Phys.: Condens. Matter
29
, 325506
(2017
).32.
F.
Neese
, in High Resolution EPR: Applications to Metalloenzymes and Metals in Medicine
, edited by G.
Hanson
and L.
Berliner
(Springer
, New York
, 2009
), pp. 175
–229
.33.
A. I.
Shames
, A. M.
Panich
, V. Y.
Osipov
, A. E.
Aleksenskiy
, A. Y.
Vul’
, T.
Enoki
, and K.
Takai
, J. Appl. Phys.
107
, 014318
(2010
).34.
X.
Fang
, J.
Mao
, E. M.
Levin
, and K.
Schmidt-Rohr
, J. Am. Chem. Soc.
131
, 1426
(2009
).35.
R. S.
Lewis
, E.
Anders
, and B. T.
Draine
, Nature
339
, 117
(1989
).36.
S.
Stehlik
, M.
Varga
, M.
Ledinsky
, V.
Jirasek
, A.
Artemenko
, H.
Kozak
, L.
Ondic
, V.
Skakalova
, G.
Argentero
, T.
Pennycook
, J. C.
Meyer
, A.
Fejfar
, A.
Kromka
, and B.
Rezek
, J. Phys. Chem. C
119
, 27708
(2015
).37.
F.
Neese
, J. Comput. Chem.
24
, 1740
(2003
).38.
F.
Neese
, F.
Wennmohs
, A.
Hansen
, and U.
Becker
, Chem. Phys.
356
, 98
(2009
).39.
M.
Glasbrenner
, S.
Vogler
, and C.
Ochsenfeld
, J. Chem. Phys.
150
, 024104
(2019
).40.
A. I.
Shames
and A. M.
Panich
, in Nanodiamonds: Advanced Material Analysis, Properties and Applications
, edited by J.-C.
Arnault
(Elsevier
, Amsterdam
, 2017
), pp. 131
–154
.41.
O. D.
Tucker
, M. E.
Newton
, and J. M.
Baker
, Phys. Rev. B
50
, 15586
(1994
).42.
A. S.
Barnard
, in Nanodiamond
, edited by O. A.
Williams
(The Royal Society of Chemistry
, Cambridge
, 2014
), pp. 1
–26
.43.
B. L.
Green
, M. W.
Dale
, M. E.
Newton
, and D.
Fisher
, Phys. Rev. B
92
, 165204
(2015
).44.
S.
Felton
, A. M.
Edmonds
, M. E.
Newton
, P. M.
Martineau
, D.
Fisher
, and D. J.
Twitchen
, Phys. Rev. B
77
, 081201(R)
(2008
).45.
L. D.
Slep
, A.
Mijovilovich
, W.
Meyer-Klaucke
, T.
Weyhermüller
, E.
Bill
, E.
Bothe
, F.
Neese
, and K.
Wieghardt
, J. Am. Chem. Soc.
125
, 15554
(2003
).46.
E. R.
Sayfutyarova
and G. K.-L.
Chan
, J. Chem. Phys.
148
, 184103
(2018
).47.
Z.
Rinkevicius
, L.
Telyatnyk
, P.
Sałek
, O.
Vahtras
, and H.
Ågren
, J. Chem. Phys.
119
, 10489
(2003
).48.
Z.
Rinkevicius
, L.
Telyatnyk
, O.
Vahtras
, and K.
Ruud
, J. Chem. Phys.
121
, 5051
(2004
).49.
50.
51.
S.
Koseki
, M. W.
Schmidt
, and M. S.
Gordon
, J. Phys. Chem.
96
, 10768
(1992
).52.
S.
Koseki
, M. S.
Gordon
, M. W.
Schmidt
, and N.
Matsunaga
, J. Phys. Chem.
99
, 12764
(1995
).53.
S.
Koseki
, M. W.
Schmidt
, and M. S.
Gordon
, J. Phys. Chem. A
102
, 10430
(1998
).54.
B. A.
Heß
, C. M.
Marian
, U.
Wahlgren
, and O.
Gropen
, Chem. Phys. Lett.
251
, 365
(1996
).55.
M.
Glasbrenner
, S.
Vogler
, and C.
Ochsenfeld
, J. Chem. Phys.
148
, 214101
(2018
).56.
A. S.
Barnard
, Nanotechnology
24
, 085703
(2013
).57.
A.
Zyubin
, A.
Mebel
, H.
Chang
, and S.
Lin
, Chem. Phys. Lett.
462
, 251
(2008
).58.
A. S.
Zyubin
, A. M.
Mebel
, M.
Hayashi
, H. C.
Chang
, and S. H.
Lin
, J. Comput. Chem.
30
, 119
(2009
).59.
A. S.
Zyubin
, A. M.
Mebel
, M.
Hayashi
, H. C.
Chang
, and S. H.
Lin
, J. Phys. Chem. C
113
, 10432
(2009
).60.
A. S.
Barnard
, S. P.
Russo
, and I. K.
Snook
, Int. J. Mod. Phys. B
17
, 3865
(2003
).61.
R.
Grall
, H.
Girard
, L.
Saad
, T.
Petit
, C.
Gesset
, M.
Combis-Schlumberger
, V.
Paget
, J.
Delic
, J.-C.
Arnault
, and S.
Chevillard
, Biomaterials
61
, 290
(2015
).62.
F.
Neese
, Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
2
, 73
(2012
).63.
F.
Neese
, Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
8
, e1327
(2018
).64.
65.
P. J.
Stephens
, F. J.
Devlin
, C. F.
Chabalowski
, and M. J.
Frisch
, J. Phys. Chem.
98
, 11623
(1994
).66.
F.
Weigend
and R.
Ahlrichs
, Phys. Chem. Chem. Phys.
7
, 3297
(2005
).67.
F.
Weigend
, Phys. Chem. Chem. Phys.
8
, 1057
(2006
).68.
M. J.
Frisch
, G. W.
Trucks
, H. B.
Schlegel
, G. E.
Scuseria
, M. A.
Robb
, J. R.
Cheeseman
, J. A.
Montgomery
, Jr., T.
Vreven
, K. N.
Kudin
, J. C.
Burant
, J. M.
Millam
, S. S.
Iyengar
, J.
Tomasi
, V.
Barone
, B.
Mennucci
, M.
Cossi
, G.
Scalmani
, N.
Rega
, G. A.
Petersson
, H.
Nakatsuji
, M.
Hada
, M.
Ehara
, K.
Toyota
, R.
Fukuda
, J.
Hasegawa
, M.
Ishida
, T.
Nakajima
, Y.
Honda
, O.
Kitao
, H.
Nakai
, M.
Klene
, X.
Li
, J. E.
Knox
, H. P.
Hratchian
, J. B.
Cross
, V.
Bakken
, C.
Adamo
, J.
Jaramillo
, R.
Gomperts
, R. E.
Stratmann
, O.
Yazyev
, A. J.
Austin
, R.
Cammi
, C.
Pomelli
, J. W.
Ochterski
, P. Y.
Ayala
, K.
Morokuma
, G. A.
Voth
, P.
Salvador
, J. J.
Dannenberg
, V. G.
Zakrzewski
, S.
Dapprich
, A. D.
Daniels
, M. C.
Strain
, O.
Farkas
, D. K.
Malick
, A. D.
Rabuck
, K.
Raghavachari
, J. B.
Foresman
, J. V.
Ortiz
, Q.
Cui
, A. G.
Baboul
, S.
Clifford
, J.
Cioslowski
, B. B.
Stefanov
, G.
Liu
, A.
Liashenko
, P.
Piskorz
, I.
Komaromi
, R. L.
Martin
, D. J.
Fox
, T.
Keith
, M. A.
Al-Laham
, C. Y.
Peng
, A.
Nanayakkara
, M.
Challacombe
, P. M. W.
Gill
, B.
Johnson
, W.
Chen
, M. W.
Wong
, C.
Gonzalez
, and J. A.
Pople
, Gaussian 03, Revision D.01, Gaussian, Inc.
, Wallingford, CT
, 2004
.69.
W. J.
Hehre
, R.
Ditchfield
, and J. A.
Pople
, J. Chem. Phys.
56
, 2257
(1972
).70.
71.
R.
Krishnan
, J. S.
Binkley
, R.
Seeger
, and J. A.
Pople
, J. Chem. Phys.
72
, 650
(1980
).72.
G. L.
Stoychev
, A. A.
Auer
, and F.
Neese
, J. Chem. Theory Comput.
13
, 554
(2017
).73.
J.
Gauss
, M.
Kállay
, and F.
Neese
, J. Phys. Chem. A
113
, 11541
(2009
).74.
A.
Perera
, J.
Gauss
, P.
Verma
, and J. A.
Morales
, J. Chem. Phys.
146
, 164104
(2017
).75.
V.
Barone
and P.
Cimino
, J. Chem. Theory Comput.
5
, 192
(2009
).76.
A. D.
Becke
, Phys. Rev. A
38
, 3098
(1988
).77.
J. P.
Perdew
, Phys. Rev. B
33
, 8822
(1986
).78.
O. L.
Malkina
, J.
Vaara
, B.
Schimmelpfennig
, M.
Munzarová
, V. G.
Malkin
, and M.
Kaupp
, J. Am. Chem. Soc.
122
, 9206
(2000
).79.
K.
Momma
and F.
Izumi
, J. Appl. Crystallogr.
44
, 1272
(2011
).80.
A. M.
Ferrari
, S.
Salustro
, F. S.
Gentile
, W. C.
Mackrodt
, and R.
Dovesi
, Carbon
134
, 354
(2018
).81.
B. L.
Green
, B. G.
Breeze
, and M. E.
Newton
, J. Phys.: Condens. Matter
29
, 225701
(2017
).© 2019 Author(s).
2019
Author(s)
You do not currently have access to this content.