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系統識別號 U0002-0708201719282700
中文論文名稱 Quasi-Skutterudite化合物中結構相變化之X光散射研究
英文論文名稱 Study of the Phase Transition in Quasi-Skutterudite Compounds Using X-ray Scattering
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 物理學系碩士班
系所名稱(英) Department of Physics
學年度 105
學期 2
出版年 106
研究生中文姓名 梁喻惠
研究生英文姓名 Yu-Hui Liang
學號 604210012
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2017-06-06
論文頁數 60頁
口試委員 指導教授-杜昭宏
委員-薛宏中
委員-呂欽山
中文關鍵字 Quasi-Skutterudite化合物  結構相變化  X光散射 
英文關鍵字 Quasi-Skutterudite Compound  X-ray Scattering  Phase Transition 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 本論文利用X光散射與變溫實驗方法來研究Quasi-Skutterudite化合物中Sr3Ir4Sn13與Sr3Rh4Sn13調製結構相變化機制,其超導溫度TC分別為5K與4.2K,從電阻率量測上發現樣品分別於T*~147K與133K有相變化,認為由電荷密度波所致,伴隨結構相變化,於低溫時為體心立方結構,溫度高於T*,轉變為簡單立方結構。為探討於T*時的相變化原因,利用高解析度X光散射實驗,發現於低溫時產生一調製結構,此調製結構波方向為 ,為a×b平面結構,針對此調致結構進行變溫量測,觀察到其結構相變化為二階變化,相變溫度約146K。針對參雜了Ca的(Sr0.5Ca0.5)3Ir4Sn13 與Ca3Ir4Sn13進行變溫量測,其相變溫度降至76K與37K,推測由原子大小所導致的化學壓力使相變溫度下降。我們也針對布拉格繞射(4 4 0)進行變溫量測,觀察到於T*有非線性的變化,確認於T*有晶格結構相變化。
英文摘要 The quasi-skutterudite Sr3Ir4Sn13 (SIS), and Sr3Rh4Sn13 (SRS) are superconductors with a transition temperature TC ~ 5 K (for SIS) and 4.2K (for SRS), respectively. Both materials also undergo an anomaly conductivity transition at T* ~ 147 K (SIS), and 133K (SRS), that is reported to be due to the formation of a charge-density wave (CDW). In order to confirm the existence of the CDW modulation, a high-resolution X-ray scattering experiment was conducted. Using high-resolution X-ray scattering on the beamline BL07, in the case of SIS, a modulated structure was observed to double the host lattice in a×b plane. The temperature dependence of the modulated reflection shows a second order phase transition with a transition temperature of about 146 K. Attempt was also played to study the doping effect on the CDW state, and we found that the temperature of phase transition for (Sr0.5Ca0.5)3Ir4Sn13 was down to ~ 76K. It suggests that the internal chemical pressure affects the transition temperature of CDW phase. Measurements on the Bragg reflection (4 4 0) in Sr3Ir4Sn13 and Sr3Rh4Sn13, also show a change in the size of the host lattice at about 146 K and 133K, suggesting that the anomaly at T*~ 147 K may be resulted from the lattice distortion.
論文目次 目錄
第一章 電荷密度波與結構相變化 1
1-1 樣品結構與特性 1
1-2 電荷密度波(Charge Density Wave) 6
1-3 一階與二階相變化 8
第二章 X光散射(X-ray Scattering) 11
2-1 X-ray簡介 11
2-2 同步輻射介紹 12
2-3 布拉格繞射定律(Bragg Law) 16
2-4 晶格體系 17
2-5 倒晶格空間[9] 20
第三章 實驗方法 22
3-1 In-house四環繞射儀 22
3-2 超導增頻磁鐵BL07光束線 24
3-3 八環繞射儀 26
3-4 低溫系統 29
3-5 實驗方法與步驟 33
第四章 實驗結果與討論 36
4-1 擬合函數 36
4-2 調製結構波向量與溫度變化之分析 40
4-2-1 Sr3Ir4Sn13調製結構波向量"Q" ⃑"=" "1" /"2" "(H,K,0)" 40
4-2-2 Sr3Rh4Sn13調製結構波向量"Q" ⃑"=" "1" /"2" "(H,H,0)" 41
4-2-3 Sr3Ir4Sn13調製結構波向量"Q" ⃑"=(3.5,4.5,0)" 42
4-2-4 (Sr0.5Ca0.5)3Ir4Sn13調製結構波向量"Q" ⃑"=(4.5,3.5,0)" 44
4-2-5 Ca3Ir4Sn13調製結構波向量"Q" ⃑"=(4.5,3.5,0)" 47
4-2-6 Sr3Rh4Sn13調製結構波向量"Q" ⃑"=(3.5,4.5,0)" 48
4-2-7 調製結構波向量與溫度變化Power Law擬合結果討論 51
4-3 布拉格繞射峰整數與溫度變化之分析 52
4-3-1 Sr3Ir4Sn13布拉格繞射峰"(4,4,0)" 52
4-3-2 Sr3Rh4Sn13布拉格繞射峰"(4,4,0)" 54
第五章 結論 56
參考文獻 58


圖目錄
圖1-1-1 Sr3Ir4Sn13、Ca3Ir4Sn13、Sr3Rh4Sn13於常溫結構圖。 2
圖1-1-2 Sr3Ir4Sn13常溫下(H H 0)量測,確認為單晶。 3
圖1-1-3 Sr3Ir4Sn13電阻率量測。 3
圖1-1-4 (Sr0.5Ca0.5)3Ir4Sn13電阻率量測,改變樣品壓力,相變溫度有變化,本實驗只討論不外加壓力的情況。 4
圖1-1-5 Ca3Ir4Sn13電阻率量測,改變樣品壓力,相變溫度有變化,本實驗只討論不外加壓力的情況。 4
圖1-1-6 Sr3Rh4Sn13電阻率量測。 5
圖1-1-7 結構相變化示意圖,於倒晶格空間,沿<1/2,1/2,0>。 5
圖1-2-1 一維線性金屬正常狀態下其電子與能帶分佈。 7
圖1-2-2 Peierls預測一維線性金屬分佈週期性型變,其電子與能帶分佈,於π/2a (第一布里淵區)打開能階。 7
圖1-3-1 Order Parameter對溫度變化示意圖,(a)二階相變,(b)一階相變。 10
圖2-1-1 陰極射線管示意圖。 11
圖2-1-2 勞厄繞射示意圖與晶體繞射圖案(Pattern)。 12
圖2-2-1 同步輻射光示意圖。 13
圖2-2-2 同步輻射電磁波譜。 13
圖2-2-3 國家同步輻射研究中心(NSRRC)加速器原理示意圖。 15
圖2-2-4 增頻磁鐵(Wiggler)發光機制示意圖。 15
圖2-2-5 增頻磁鐵(Undulator)發光機制示意圖。 15
圖2-3-1 布拉格繞射示意圖。 17
圖2-4-1 單位晶胞晶格常數示意圖。 18
圖2-4-2 布拉伐斯晶格(Bravais Lattices)。 18
圖3-1-1 In-house X光產生機制示意圖。 23
圖3-1-2 四環繞射儀。 24
圖3-2-1 光束線光學元件示意圖。 25
圖3-3-1 同步輻射光從出光口至偵側端示意圖。 28
圖3-3-2 同步輻射光從出光口至八環繞射儀間之元件圖。 28
圖3-4-1 Cryostat Carrier。 30
圖3-4-2 Cryostat(ARS DE-202G)。 30
圖3-4-4 Turbo-真空幫浦。 31
圖3-4-5 氦氣壓縮機(Compressor)。 32
圖3-4-6 溫控器(Lakeshore model 331)。 32
圖3-5-1 左為鑽石切割機,右為拋光機。 33
圖3-5-2 由望遠鏡確認針尖位置示意圖。 35
圖4-1-1 Gaussian Function峰形示意圖。 37
圖4-1-2 Lorentz Function峰形示意圖。 37
圖4-1-3 Voigt Function峰形示意圖。 37
圖4-1-4 Bragg Peak以Gaussian Function擬合之結果,以Ca3Ir4Sn13 (4 4 0)為例。 39
圖4-1-5 調製結構以Gaussian Function擬合之結果,以Sr3Rh4Sn13 (3.5 4.5 0)為例。 39
圖4-2-1 Sr3Ir4Sn13於低溫(80K)產生調製結構,波向量為"Q" ⃑"=(3.5,3.5,0)、(3.5,4.5,0)、(4.5,3.5,0)、(4.5,4.5,0)" 。 40
圖4-2-2 Sr3Rh4Sn13於低溫(80K)產生調製結構,波向量為"Q" ⃑"=(1.5,1.5,0)、(2.5,2.5,0)、(3.5,3.5,0)、(4.5,4.5,0)、(5.5,5.5,0)" 。 41
圖4-2-3 波向量"Q" ⃑"=(3.5,4.5,0)" 積分強度(Integrated Intensity)與半高寬(FWHM)隨溫度的變化。黑色實心球為積分強度,藍色為半高寬。 42
圖4-2-4 利用Power Law中函數特性模擬波向量"Q" ⃑"=(3.5,4.5,0)" 積分強度與半高寬隨溫度的變化。實心球為實驗數據,紅色線為積分強度以式(1-3-1)擬合結果,綠色線為半高寬以式(1-3-2)擬合結果。 43
圖4-2-5 波向量"Q" ⃑"=(4.5,3.5,0)" 繞射峰與擬合結果,黑色實心球為歸一化強度(Normalized Intensity,I/I0),紅色線為擬合曲線。(a)於45K以Gaussian Function擬合,(b)於74K以Lorentz Function擬合,(c)於78K以Lorentz Function擬合。 44
圖4-2-6 波向量"Q" ⃑"=(4.5,3.5,0)" 積分強度(Integrated Intensity)與半高寬(FWHM)隨溫度的變化。黑色實心球為積分強度,藍色為半高寬。 44
圖4-2-7 利用Power Law中函數特性模擬波向量"Q" ⃑"=(4.5,3.5,0)" 積分強度與半高寬隨溫度的變化。紅色線為積分強度以式(1-3-1)擬合結果,綠色線為半高寬以式(1-3-2)擬合結果。 45
圖4-2-8 波向量"Q" ⃑"=(4.5,3.5,0)" 積分強度(Integrated Intensity)與半高寬(FWHM)隨溫度的變化。黑色實心球為積分強度,藍色為半高寬。 47
圖4-2-9 波向量"Q" ⃑"=(3.5,4.5,0)" 繞射峰與擬合結果,黑色實心球為歸一化強度(Normalized Intensity,I/I0),紅色線為擬合曲線。(a)於100K以Gaussian Function擬合,(b)於133.7K以Lorentz Function擬合,(c)於134.8K以Lorentz Function擬合。 48
圖4-2-10 波向量"Q" ⃑"=(3.5,4.5,0)" 積分強度(Integrated Intensity)與半高寬(FWHM)隨溫度的變化。黑色實心球為積分強度,藍色為半高寬。 48
圖4-2-11 利用Power Law中函數特性模擬波向量"Q" ⃑"=(3.5,4.5,0)" 積分強度與半高寬隨溫度的變化。紅色線為積分強度以式(1-3-1)擬合結果,綠色線為半高寬以式(1-3-2)擬合結果。 49
圖4-3-1 布拉格繞射峰"(4,4,0)" 2θ角度隨溫度的變化,由167K降溫至130K。黑色實心球為量測結果。 52
圖4-3-2 由"(4,4,0)" 2θ角度計算晶格常數(Lattice Parameter)隨溫度的變化,由167K降溫至130K。藍色實心球為量測結果。 53
圖4-3-3 布拉格繞射峰"(4,4,0)" 2θ角度隨溫度的變化,由160K降溫至110K。黑色實心球為量測結果。 54
圖4-3-4 由"(4,4,0)" 2θ角度計算晶格常數(Lattice Parameter)隨溫度的變化,由160K降溫至110K。藍色實心球為量測結果。 54

表目錄
表1-1-1 樣品的晶格常數與相變溫度。 2
表1-3-1 各種臨界現象的模型參數。 10
表2-4-1 七大晶格系統與布拉伐斯晶格。 19
表4-2-1樣品相變溫度與平均場論及各樣品Exponent。 51

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[21] OriginLab, http://www.originlab.com/.
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