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系統識別號 U0002-1208201216072900
中文論文名稱 利用X光吸收光譜和磁圓偏振二向性研究多鐵異質結構CoFe2O4-PbTiO3的原子與電子結構及磁特性
英文論文名稱 The Atomic, Electronic Structures and Magnetic Properties of Multiferroic Hetero-structures CoFe2O4-PbTiO3 Studied by X-ray Absorption Spectroscopy and Magnetic Circular Dichroism
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 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 王孝祖
研究生英文姓名 Hsiao-Tsu Wang
學號 699210042
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-06-12
論文頁數 69頁
口試委員 指導教授-彭維鋒
委員-杜昭宏
委員-李志甫
中文關鍵字 X光吸收光譜  X光磁圓二向性譜  元素解析之磁滯曲線  多鐵材料 
英文關鍵字 EXAFS  XMCD  ESMH  Multiferroic  CoFe2O4  PbTiO4 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 本論文利用Co、Fe與Ti K-edge延伸X光吸收精細結構(Extended X-ray Absorption Fine Structure, EXAFS)及磁圓二向性(X-ray Magnetic Circular Dichrism, XMCD)研究一系列的不同幾何形狀如:0維CoFe2O4嵌入三維PbTiO3以及二維CoFe2O4與PbTiO3交互推疊而成的多鐵異質結構CoFe2O4-PbTiO3的原子與電子及磁性特質。從Fe與Co的 EXAFS分析結論,CoFe2O4並非是完美的反尖晶石結構,Co與Fe皆能共存於四面體與八面體之間。根據X光繞射圖(X-Ray Diffraction, XRD)的實驗數據,推測PbTiO3因不同的幾何形狀造成CoFe2O4受到不同的應力,進而導致CoFe2O4離子重新組合的可能。根據Ti XMCD並未觀察Ti因介面效應而產生磁性。說明樣品之磁性皆源自CoFe2O4之幾何形狀差異。利用 XMCD發現到樣品隨著幾何結構改變時,對於磁性造成的改變與CoFe2O4的離子交換及反相磁域有關。
英文摘要 Investigation has been made on electronic, atomic structures and magnetic properties of multiferroics composite [CoFe2O4 (CFO) particles embedded in PbTiO3 (PTO) matrix (0-3 type)] and multilayer [CFO-PTO multilayered (2-2 type)] samples by using Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) and X-ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD). Co and Fe K-edge indicates the cation distribution of CFO in these (0-3 and 2-2 type) samples were deviated from the perfect inverse spinel structure, suggesting the changes of local atomic structure from inverse spinel to normal spinel due to induced strain effect of adjacent PTO. The Ti reveal no any magnetic moment due to interface effect, measurement by XMCD, which attributes the observed change in magnetic properties are basically coming from the CoFe2O4. The decrease in magnetic moment were also observed in multiferroics composite (0-3 type) and multilayer (2-2 type) samples, in comparison to CFO particles. The significant changes in magnetic moments suggest the antiferromagnetic (AF) alignment of cations due to the cation distribution and Anti-phase domin.
論文目次 目錄••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
圖表目錄•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3
Ⅰ、 樣品簡介••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6
一、多重鐵材料簡介•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6
二、文獻回顧•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7
三、CoFe2O4與PbTiO3晶體結構與磁性特性••••••••••••••••••••••10
Ⅱ、 X光吸收光譜簡介•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
一、吸收截面與E0值••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
二、X光吸收近邊緣結構(XANES) ••••••••••••••••••••••••••••••••••21
三、延伸X光吸收精細結構(EXAFS) •••••••••••••••••••••••••••••••24
四、實驗方法••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 27
五、數據分析••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••31
Ⅲ、 X光磁圓偏振二向性簡介••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••36
一、理論模型••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••36
二、實驗方法••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••38
Ⅳ、 實驗數據分析與討論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••40
一、樣品製備與量測 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••40
二、延伸X光吸收精細結構(EXAFS)•••••••••••••••••••••••••••••••46
三、X光磁圓二向性譜(XMCD)••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••52
四、X光磁圓二向性之元素解析磁滯曲線(ESMH) ••••••••••••59
Ⅴ、結論•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••66
Ⅵ、參考文獻••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••67
圖表目錄
圖1-1 CFO與NFO受到平行膜面拉伸時λ由1往0的趨勢,造
成Co2+與Ni2+在四面體(Th)態密度(DOS)增加,八面體(Oh)
少•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
圖1-2 (a) 尖晶石晶體結構 (Spinel structure)•••••••••••••••••••••••••••••••••••••11
(b) 四面體A-site (Tetrahedral site)••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11
(c) 八面體B-site (Octahedral site)••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11
圖1-3 (a) 超交互作用(Super exchange interaction) •••••••••••••••••••••••••••••13
(b) 雙交換作用(Double exchange interaction)•••••••••••••••••••••••••••13
(c) CoFe2O4磁矩排列情形••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
圖1-4 (a) PbTiO3鈣鈦礦(perovskite)晶體結構••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
(b) 八面體中心過渡金屬原子3d能階分裂圖••••••••••••••••••••••••••16
圖2-1 光子能量與銅吸收截面關係圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19
圖2-2 XANES與EXAFS分界圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
圖2-3 光電子平均自由路徑與能量關係圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••23
圖2-4 單一散射與多重散射之圖像(a)為單一散射路程示意••••••••••••••23
(b)為多重散射路程示意•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••23
圖2-5吸收原子入射電子波與鄰近原子背向散射波示意圖••••••••••••••••26
圖2-6 X光吸收光譜實驗示意圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••29
圖2-7 X光吸收光譜三種訊號量測方法•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••30
圖2-8 X光吸收光譜之數據分析流程•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••31
圖2-9選擇能量底限E0值的不同方法••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32
圖3-1 Ni L3,2-edge吸收光譜。實線和虛線分別表示Ni對正磁場和
負磁場的X光吸收光譜•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••39
圖3-2 Ni L3,2-edge MCD譜圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••39
圖4-1 (a) CFO-PTO 0-3 Type•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••40
(b) CFO-PTO 2-2 Type••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••40
圖4-2 (a) 0-3 Type SEM ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••42
(b) 2-2 Type SEM••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••42
(c) 0-3 Type TEM••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••42
(d) 2-2 Type TEM••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••42
圖4-3 X光繞射圖。*及o為基板所產生的繞射鋒, 為CFO繞
射鋒 為PTO繞射鋒•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••42
圖4-4 在室溫下的磁滯曲線,包括平行與垂直膜面量測•••••••••••••••••45
圖4-5 (a) Co K-edge EXAFS傅立葉轉換圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••48
(b) Fe K-edge EXAFS傅立葉轉換圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••48
(c) Co第一配位層反傅立葉轉換之相位及相位對k空間一
次微分•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••49
(d) Fe第一配位層反傅立葉轉換之相位及相位對k空間一
次微分•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••49

圖4-6 (a) Ti K-edge 一系列樣品的變化以及0-3與2-2 Type對PTO
的差•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••50
(b) Ti K-edge EXAFS傅立葉轉換圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••51
圖4-7 (a) 正負磁場下Co L3,2-edge及XMCD譜圖與積分圖•••••••••••54
(b) 正負磁場下Fe L3,2-edge及XMCD譜圖與積分圖•••••••••••55
圖4-8 (a) 利用Sum rule 計算出Co與Fe各別的morb、 mspin•••••••••••56
(b) 利用SQUID得到的結果與XMCD sum rule比較••••••••••••56
圖4-9 正負磁場下Ti L3,2-edge及XMCD譜圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••57
圖4-10 (a) Co元素解析磁滯曲線圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••62
(b) Fe元素解析磁滯曲線圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••63
(c) Co2+與Fe3+在八面體中XMCD Asymmetry隨著樣品一
系列的變化•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••64
(d) 反相磁域(Anti-phase domain)示意圖•••••••••••••••••••••••••••••••64
圖4-11將Co與Fe ESMH疊加與SQUID磁性量測之比較•••••••••65
表4-1 CFO與PTO在不同樣品中的晶格常數及形變量•••••••••••••••••••43
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