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系統識別號 U0002-1308200913265300
中文論文名稱 利用X光吸收譜研究RMnO3 (R= Y, Ho, Tb與Eu) 電子與原子結構
英文論文名稱 Electronic and Atomic Structures of RMnO3 (R= Y, Ho, Tb and Eu) Studied by X-ray Absorption Spectroscopy
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 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 吳嘉祥
研究生英文姓名 Chia-Hsiang Wu
學號 695210087
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-17
論文頁數 68頁
口試委員 指導教授-彭維鋒
委員-薛宏中
委員-李志甫
中文關鍵字 X光吸收光譜  X光輻射光譜  X光延伸精細吸收光譜  錳氧化物 
英文關鍵字 XAS  XES  EXAFS  manganites 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 在本篇論文中,利用X光吸收光譜來研究 RMnO3 (R= Y, Ho, Tb與Eu)的電子結構和原子結構,我們也會使用理論計算局域自旋態密度模擬[Local Spin Density Approximate (LSDA+U)]來驗證實驗上取得的數據。從氧X光吸收能譜(X-ray absorption spectroscopy)和LSDA+U我們可以發現氧和錳之間有很強的p-d混成,我們推測這類的錳氧化物為電荷傳遞絕緣體(charge-transfer insulator)。從文獻可以發現在六角形錳氧化物中其電阻大於正菱形錳氧化物106(Ω cm),並且從氧X光吸收能譜和Kα輻射能譜(X-ray emission spectroscopy),發現此系列樣品之能隙並沒有太大的變化,推測影響這類錳氧化物的電阻大小,能隙並不是主要的因素,可能與樣品中之載子濃度有關。經由錳延伸X光吸收能譜[Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) ]的傅立葉轉換,與擬合的結果發現,原子結構的對稱性會影響到晶格場與第白-華勒因子(Debye-Waller factor)。
英文摘要 In this study, the X-ray absorption spectroscopy (XAS) results from the study on RMnO3 (R= Y, Ho, Tb, and Eu) manganites were then compared with the theoretical calculations using Local Spin Density Approximate (LSDA+U). The O K-edge XAS results showed that the Mn 3d states have strong hybridization with the O 2p states, which is consistent with the theoretical calculations. We have therefore suggested that manganese oxides with strong Mn3d-O2p hybridizations are charge-transfer insulators. Although the resistances of hexagonal manganites (HM) are in the order of 106 (Ω-cm) larger than those of the orthorhombic manganites (OM), their bandgap measurements did not differ greatly based from the combined analysis of the O K-edge and O Kα emission spectra. The large difference in their resistances is probably related to their carrier concentrations. The Mn K-edge Fourier Transforms (FT) of the Extended X-ray Absorption Fine Structures (EXAFS) and their fitting results show that the symmetry of atomic structures profoundly affects the crystal fields and Debye-Waller factors of HM and OM.
論文目次 第一章 緒論 ………………………………………………………1
一、ABO3 多鐵電材料(multiferroic ) ……………………………1
二、晶格場 (crystal field) ………………………………………4
三、楊-泰勒形變(Jahn-Teller distortion) ………………………8
四、強關聯電子系統 ………………………………………………9
第二章 X光吸收光譜簡介 ………………………………………12
一、X光吸收光譜近邊緣結構[X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES)] 原理……………………………………………16
二、X光延伸吸收精細結構[Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS)]原理………………………………………………18
三、X光輻射光譜[X-ray emission spectroscopy (XES)]…………21
四、數據分析……………………………………………………………24
第三章實驗設備與量測方法…………………………………………30
一、光源………………………………………………………………30
二、量測方法…………………………………………………………32
三、X光放射光譜實驗設置…………………………………………34
四、量測樣品的處理與準備…………………………………………34
五、密度泛函理論簡述………………………………………………35
第四章 正菱形和六角形錳氧化物RMnO3 (R= Y, Ho, Tb與Eu) 的電子結構與原子結構……………………………………………39
一、實驗數據分析……………………………………………………39
A.X-ray diffraction (XRD) …………………………………………39
B. O K-edge和 LSDA+U………………………………………………40
C. Mn K-edge & L3,2-edge……………………………………………46
D. O K-edge & O Kα XES……………………………………………50
E. 傅立葉轉換(FT) & 擬合(Fitting) ………………………………52
F. 鐵電性質與O K-edge………………………………………………56
G. 參數整理……………………………………………………………61
二、結論…………………………………………………………………64

圖表簡介
圖1-1. 六角形錳氧化物結構示意圖…………………………………3
圖1-2. 正菱形錳氧化物結構示意圖…………………………………3
圖1-3 六角形錳氧化物MnO5 3d電子能階分裂圖……………………5
圖1-4 正菱形錳氧化物MnO6 3d電子能階分裂示意圖……………5
圖1-5 3d電子組態示意圖…………………………………………6
圖 1-6 雙電子系統晶格場與庫倫作用力示意圖……………………7
圖 1-7 Jahn-Teller 型變示意圖……………………………………8
圖 1-8 Jahn-Teller 型變能階示意圖…………………………………9
圖 1-9 雙電子系統電子在原子間傳遞能量示意圖…………………11
圖 1-10 Mott絕緣體能帶示意圖………………………………………11
圖 2-1 銅各種吸收截面與光能………………………………………14
圖 2-2 X射線吸收光譜………………………………………………15
圖 2-3 光電子平均自由路徑與能量關係圖…………………………17
圖 2-4 圓圈為吸收原子箭頭為光電子路徑…………………………17
圖 2-5 電子與鄰近原子背向散射干涉結果…………………………20
圖 2-6 X光吸收光譜和X光輻射光譜獲得能隙寬示意圖…………22
圖 2-7 X光吸收光譜能態原理示意圖………………………………22
圖 2-8 X光放射光譜能態原理示意圖………………………………23
圖 2-9 X光輻射光譜能態原理示意圖………………………………23
圖 2-10 數據分析流程圖……………………………………………24
圖 2-11 E0能量選取的不同方………………………………………26
圖 2-12 k空間選取的window示意圖………………………………28
圖 3-1 X光吸收光譜實驗示意圖…………………………………32
圖 3-2 三種量測方法…………………………………………………37
圖 3-3 ALS 7.0.1光束線實驗設置圖…………………………………38
圖 4-1 X光散射圖由上而下分別為正菱形結構EuMnO3和TbMnO3
,六角形結構YMnO3和HoMnO3………………………………………39
圖 4-2 O K-edge光譜圖,右下方小圖為以高斯曲線擬合背景扣除之
後Mn 3d-O 2p未佔據態情形…………………………………………42
圖 4-3 YMnO3 O K-edge、O Kα emission和LSDA+U理論計算圖………………………………………………………………………43
圖 4-4 TbMnO3 O K-edge、O Kα emission和LSDA+U理論計算圖………………………………………………………………………44
圖 4-5 O K-edge 扣除高斯背景,可以得知YMnO3晶格場為1.2eV,HoMnO3晶格場為1.3eV,EuMnO3和TbMnO3晶格場為0.8eV…………45
圖 4-6 Mn K-edge光譜圖,其中放進Mn2O3和MnO2做為標準樣品………………………………………………………………………48
圖 4-7 Mn L-edge 光譜圖,右上方小圖為扣掉atan之後L3光譜圖……………………………………………………………………49
圖 4-8上圖為正菱形結構,下圖為六角形結構,O K-edge和 O Kα X光輻射光譜圖…………………………………………………………51
圖 4-9 Mn K-edge傅立葉轉換和擬合圖,圖中虛線部分為擬合後的結果,實線為傅立葉轉換後結果,右上方差圖為k空間數據…………54
圖 4-10 擬合結果……………………………………………………55
圖4-11 六角形錳氧化物扣除高斯背景,上圖為YMnO3下圖為HoMnO3,藍色線為Mn 3d-O 2p未佔據態,綠色線為Y 4d(Ho 5d)-O 2p未佔據態,咖啡色線為Mn 4sp-O 2p未佔據態………………………58
圖4-12 正菱形錳氧化物扣除高斯背景,上圖為TbMnO3下圖為EuMnO3,藍色線為Mn 3d-O 2p未佔據態,綠色線為Tb和Eu 5d -O 2p未佔據態,咖啡色線為Mn 4sp-O 2p未佔據態………………………59
圖4-13 由圖4-10未佔據態峰值底下的積分值下表是表示Y(Ho)和O的未佔據態減掉Mn和O的未佔據態,並且除以Mn和O的未佔據態做歸一……………………………………………………………60
圖4-14 將實驗取得的數據與文獻所獲得的數據整理表,由上至下分別為電阻關係,能隙關係,Mn-O間的鍵結長度,第白-華勒因子,晶格場關係。………………………………………………………………62
圖 4-15 八面體錳氧化物傅立葉轉換擬合結果R(1)、R(2)和R(3)位置示意圖…………………………………………………………………63

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