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系統識別號 U0002-1402201415064900
中文論文名稱 SrFeOx的電荷與電子自旋有序結構之X光散射研究
英文論文名稱 Study of the charge and spin ordering in SrFeOx 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 102
學期 1
出版年 103
研究生中文姓名 林意軒
研究生英文姓名 Yi-Shiuan Lin
學號 600210065
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-01-15
論文頁數 80頁
口試委員 指導教授-杜昭宏
委員-葉炳宏
委員-湯茂竹
中文關鍵字 軟X光  相變化  電荷有序  電子自旋有序  共振散射  SrFeOx 
英文關鍵字 Soft X-ray  phase transition  charge ordering  Spin ordering  Resonant Scattering  SrFeOx 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 本論文主要是利用X光共振散射與變溫量測來探討在SrFeOx中的電荷有序(charge-ordering)與電子自旋所有序結構(spin-ordering)。由於電荷與磁結構的散射截面積非常小,所以利用一般X光繞射技術無法獲得足夠的強度來分析研究,為了能得到足夠的繞射強度,因此利用了軟X光共振散射使繞射峰強度增加。實驗中利用入射光在Fe L2,L3-edge與O K-edge所產生的共振效應來增加來自charge-ordering與spin-ordering繞射峰的散射振幅,並利用此繞射峰對能量變化的關係圖來探討Fe電子在3d軌域的電子結構。樣品 SrFeOx的電荷有序結構波向量為Qco ≈(0, 0, 0.64),而電子自旋有序結構的波向量為Qso ≈(0, 0, 0.5),針對這兩個波向量進行變溫量測觀察其結構的相變化,其結構的相變溫度分別為Tco ≈ 107K以及Tso ≈ 65K,並利用X光的二向性,即水平線偏振光與垂直線偏振光,來探討電荷結構與電子自旋的行為與方向性。
英文摘要 We report the study of charge/spin-ordering in single crystal SrFeOx using resonant soft x-ray scattering. Probing the charge and spin ordering using x-rays is difficult due mainly to the very weak diffraction intensity. However, this difficulty can be overcome by the use of resonant x-ray diffraction. In this study, we performed the resonant soft x-ray diffraction at the Fe L-edge and O K-edge, and observed a huge enhancement from the spin and charge ordering reflections. The wave vectors of charge- and spin-ordering in SrFeOx were observed to be Qco ≈ (0, 0, 0.64) and Qso ≈ (0, 0, 0.5) with transition temperatures at Tco ≈ 107 K for charge ordering and Tso ≈ 65 K for spin. These reflections were also further confirmed to originate from charges and spins, respectively, using the different polarized x-rays.
論文目次 目錄
第一章 X光的發展-----------------------------------------------------------1
1-1 X光的起源------------------------------------------------------1
1-2 同步輻射光源---------------------------------------------------2
第二章 X光散射與基本理論-----------------------------------------------6
2-1 晶體結構------------------------------------------------------6
2-2 倒晶格空間------------------------------------------------------8
2-3 布拉格定律------------------------------------------------------9
2-4 散射截面積-----------------------------------------------------11
2-5 X光共振散射--------------------------------------------------16
2-6 X光吸收光譜原理--------------------------------------------22
第三章 電荷與電子自旋有序排列及樣品介紹------------------------24
3-1 電荷與電子自旋有序排列-----------------------------------24
3-2 SrFeOx樣品製程----------------------------------------------26
3-3 SrFeOx樣品結構----------------------------------------------29
3-4 SrFeOx的物理特性-------------------------------------------32
3-5 SrFeOx的電子組態與Jahn-Tellar distortion--------------36
第四章 實驗儀器與實驗方法---------------------------------------------39
4-1 橢圓偏極聚頻磁鐵光束線(EPU Beamline)--------------39
4-2 四環繞射儀-----------------------------------------------------42
4-3 實驗樣品處理方法--------------------------------------------43
4-4 實驗方法--------------------------------------------------------49
第五章 實驗數據與討論---------------------------------------------------52
5-1 樣品編號與幾何關係-----------------------------------------52
5-2 SrFeOx (#01017)實驗數據-----------------------------------53
5-2-1 吸收光譜 (Absorption Spectrum) ---------------------53
5-2-2 Fe L3-edge的繞射峰訊號(peak profile) --------------54
5-2-3 fix Q energy scan------------------------------------------55
5-2-4 分割掃描(slice scans) -----------------------------------59
5-2-5 變溫量測---------------------------------------------------61
5-3 SrFeOx(#01131)實驗數據---------------------------------63
5-3-1 吸收光譜(Absorption Spectrum) ----------------------63
5-3-2 O K-edge的繞射峰訊號(peak profile) ---------------64
5-3-3 fix Q energy scan------------------------------------------64
5-3-4 分割掃描(slice scans) -----------------------------------65
5-3-5 變溫量測---------------------------------------------------66
6-4 實驗結果討論--------------------------------------------------69
第六章 結論------------------------------------------------------------------77
參考文獻--------------------------------------------------------------------------79
圖目錄
圖(1-2-1) 同步輻射光源波段範圍示意圖-----------------------------------2
圖(1-2-2) 同步輻射光源設施示意圖-----------------------------------------3
圖(1-2-3) 偏轉磁鐵(Bending)發光機制--------------------------------------4
圖(1-2-4) 增頻磁鐵(Wiggler)發光機制--------------------------------------5
圖(1-2-5) 聚頻磁鐵(Undulator)發光機制------------------------------------5
圖(2-1-1) 單位晶胞--------------------------------------------------------------6
圖(2-1-2) 十四種單位晶胞-----------------------------------------------------7
圖(2-3-1) 布拉格晶格繞射示意圖-------------------------------------------10
圖(2-4-1) 散射前後的偏振方向示意圖-------------------------------------15
圖(2-5-1) 散射因子的實部與虛部做圖結果-------------------------------18
圖(2-6-1) 螢光式X光吸收光譜示意圖-------------------------------------23
圖(3-1-1) 鐵磁性、反鐵磁性與順磁性------------------------------------25
圖(3-2-1) 高溫爐(Floating-zone)---------------------------------------------28
圖(3-2-2) 使用Floating-zone長成之未處理單晶SrFeOx--------------28
圖(3-2-3) 處理完成後的樣品SrFeOx-------------------------------------28
圖(3-3-1) 磁性量測,(a) SrFeOx (01017),(b) SrFeOx (01123), (c) P. Adler et al所做得磁化率量測-----------------------------30
圖(3-3-2) 電性量測,(a) SrFeOx (01017),(b) SrFeOx (01123), (c) P. Adler et al所做得電阻量測--------------------------------30
圖(3-3-3) SrFeOx結構圖-----------------------------------------------------31
圖(3-3-4) (a)八面體結構與(b)金字塔形結構------------------------------31
圖(3-4-1) SrFeO3-δ,(a) 磁化率量測,(b) 電阻量測---------------------33
圖(3-4-2) SrFeO2.5結構圖,空心圓為氧離子,大的實心圓為氧缺陷,小的實心圓為鐵離子----------------------------------------------34
圖(3-4-3) SrFeOx的相圖-------------------------------------------------------35
圖(3-5-1) Fe4+在3d軌域的能階示意圖-----------------------------------38
圖(3-5-2) 八面體受Jahn-Teller distortion造成晶格扭曲示意圖-------38
圖(4-1-1) EPU光束線架構----------------------------------------------------39
圖(4-1-2) EPU二環繞射儀腔體俯視圖-------------------------------------41
圖(4-2-1) 位於淡江大學散射實驗室之四環繞射儀----------------------42
圖(4-3-1) 從望遠鏡觀察針尖:針尖水平與高度均偏離中心-----------43
圖(4-3-2) 從望遠鏡觀察針尖:將針尖水平位移調整至水平中心-----44
圖(4-3-3) 從望遠鏡觀察針尖:將針尖垂直高度調整至垂直中心-----45
圖(4-3-4) 望遠鏡----------------------------------------------------------------45
圖(4-3-5) 針尖與角向器-------------------------------------------------------46
圖(4-3-6) 樣品表面與散射平面之夾角(misscut angle)------------------47
圖(4-3-7) EPU專用holder與樣品,在末端塗有螢光粉----------------48
圖(5-1-1) 樣品與光的散射幾何關係示意圖-------------------------------52
圖(5-2-1-1) SrFeOx(#01017) Fe L2,L3-edge的吸收光譜圖-------------54
圖(5-2-2-1) SrFeOx (#01017) Fe L3-edge上Qco(0,0,0.64)以不同線偏振光量測的繞射峰。(a) π-polarized,半高寬約為1.65°;(b) σ-polarized,半高寬約為1.69°;(c)兩個偏振光比較圖-----55
圖(5-2-2-2) SrFeOx (#01017) Fe L3-edge上Qso(0,0,0.5)以不同線偏振光量測的繞射峰。(a) π-polarized,半高寬約為0.79°;(b) σ-polarized,半高寬約為1.29°;(c)兩個偏振光比較圖-----56
圖(5-2-3-1) SrFeOx(#01017)fix Qco energy scan at Fe L3-edge---------58
圖(5-2-3-2) SrFeOx(#01017) Qco(0,0,0.64)的K-scan -------------------58
圖(5-2-3-3) SrFeOx(#01017) fix Q energy scan扣除背景示意--------58
圖(5-2-3-4) SrFeOx(#01017) fix Qco(0,0,0.64) energy scan (a) π- polarized;(b) σ-polarized---------------------------------------59
圖(5-2-3-5) SrFeOx(#01017) fix Qso(0,0,0.5) energy scan (a) π-polarized;(b) σ-polarized------------------------------------------59
圖(5-2-4-1) SrFeOx(#01017) Qcopeak 不同偏振光量測的結果---------61
圖(5-2-4-2) SrFeOx(#01017) Qsopeak不同線振光量測的結果---------61
圖(5-2-5-1) SrFeOx(#01017) Fe L3-edge σ-polarized,以L-scan測量Qco(0,0,0.64),半高寬(紅色方形)與強度(藍色圓形)隨溫度變化----------------------------------------------------------------63
圖(5-2-5-2) SrFeOx(#01017) Fe L3-edge π-polarized,以th2th-scan測量Qco(0,0,0.5),半高寬(紅色方形)與強度(藍色圓形)隨溫度變化----------------------------------------------------------63
圖(5-3-1-1) SrFeOx(#01131) O K-edge的吸收光譜圖------------------64
圖(5-3-2-1)SrFeOx(#01131) O K-edge上Qso(0,0,0.5) )以不同線偏振光量測的繞射峰。(a) π-polarized,半高寬約為0.48°;(b) σ-polarized,半高寬約為0.36°;(c)兩個偏振光比較圖-----65
圖(5-3-3-1) SrFeOx(#01131) fix Qso(0,0,0.5) energy scan在不同線偏振光的量測結果---------------------------------------------------66
圖(5-3-4-1) SrFeOx(#01131) Qsopeak at O K-edge不同線振光的結果,藍色圓形為π-polarized,紅色方形為σ-polarized----------67
圖(5-3-5-1) SrFeOx(#01131) Qso(0,0,0.5) O K-edge在水平線偏振光下不同溫度點的fix Q energy scan 測量結果-----------------68
圖(5-4-1) SrFeOx(#01017) Qco(0,0,0.64)peak的Fe-L3 edge在垂直線偏振光下數據與擬合結果------------------------------------------70
圖(5-4-2) SrFeOx(#01017) Qso(0,0,0.5)peak的Fe-L2,L3 edge在水平線偏振光下數據與擬合結果--------------------------------------72
圖(5-4-3) SrFeOx(#01131) Qso(0,0,0.5)peak的O K edge在水平線偏振光下數據與擬合結果----------------------------------------------75
圖(6-1) SrFeOx(#01017) Fe L3-edge的Qco(0,0,0.64) (藍色圓形)與Qso(0,0,0.5) (紅色方形)的半高寬隨溫度變化----------------78
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