系統識別號 | U0002-2510200614492000 |
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DOI | 10.6846/TKU.2006.00805 |
論文名稱(中文) | 電子掺雜對層狀不相稱的鈷氧化物Ca3-xYxCo4O9 物理性質之影響 |
論文名稱(英文) | Effect of electron doping on physical properties of misfit-layered cobaltite Ca3-xYxCo4O9 |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 物理學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Physics |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 94 |
學期 | 2 |
出版年 | 95 |
研究生(中文) | 潘俊傑 |
研究生(英文) | Jiun-Jie Pan |
學號 | 692180127 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2006-07-25 |
論文頁數 | 88頁 |
口試委員 |
指導教授
-
林大欽
委員 - 杜昭宏 委員 - 劉祥麟 |
關鍵字(中) |
磁電傳輸 強關聯費米液體 自旋密度波 鐵磁的關聯性 陶鐵磁性 |
關鍵字(英) |
spin-density-wave ferromagneticcorrelation ferrimagnetism |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
我們詳細地研究了層狀不相稱的鈷氧化物Ca3-xYxCo4O9 (CYCO) 的物理性質。CYCO系統的電阻率隨著Y摻雜量的增加單調地遞增,意味著系統中的電洞濃度隨著Y3+對Ca2+部份取代的增加而遞減。在 T ~ Tmin 附近,電阻率 有一個極小值。當T > Tmin, 電阻率 呈現金屬的行為,同時 遵循T2一直到 T*,對於 x = 0, T* ~ 170 K;x = 0.2, T* ~ 230 K,這明確地告訴我們CYCO在金屬態時是一個強關聯的費米液體。相對地,當T < Tmin, 電阻率 呈現半導體的行為;值得注意的是Tmin隨著Y摻雜量的增加從62 K單調地遞增至120 K。更有趣的是與自旋密度波能隙相關的量dln(R)/d(1/T)在相對應的溫度出現一平台,同時dln(R)/d(1/T)的數值亦隨著Y摻雜量的增加而增加,這說明Tmin 與自旋密度波起始溫度成正比,並且Y摻雜量的增加伴隨著自旋密度波起始溫度的升高。另外,dln(R)/d(1/T)在與陶鐵磁性相關的溫度20 K附近開始隨溫度的降低逐漸遞減,意味著陶鐵磁性的出現對於自旋密度波的能隙有抑制的作用,這個現象在磁場下的dln(R)/d(1/T)對溫度關係圖中很清楚地表現出來。從磁傳輸性質隨Y摻雜量變化的關係來看,我們發現Y摻雜所引發的化學壓力與鈷價數的變化對於[Ca2CoO3] 與 [CoO2] 子系統之間的耦合有深遠的影響,進而導致系統中自旋密度波與陶鐵磁性的消長。 |
英文摘要 |
Physical properties of misfit-layered cobaltite Ca3-xYxCo4O9 (CYCO) with polycrystalline samples have been extensively investigated. Electrical resistivity of the Y-substituted sample monotonically increases with increasing Y content, which could be attributed to the decrease of the hole concentration by substitution of trivalent Y3+ for divalent Ca2+. The resistivity exhibits a broad minimum around T = Tmin. At T > Tmin, follows T2 dependence up to T* ~ 170 K for x = 0 and 230 K for x = 0.2 samples, indicating that CYCO is a strongly correlated Fermi liquid in metal state. Whereas T < Tmin, exhibits insulating-like behavior, ranging from 62 K with x = 0 up to 120 K with x = 0.2. The dln(R)/d(1/T), related to the energy gap of SDW, reveals a plateaus and increases with increasing Y content. It suggests that Tmin scales with the onset temperature of SDW and SDW is enhanced by the Y doping. Furthermore, the dln(R)/d(1/T) gradually decreases below a temperature T**, increasing with increasing field for x , at which ferrimagnetism sets in. The variation of interlayer coupling between the [Ca2CoO3] and [CoO2] subsystems caused by substitution-induced chemical pressure as well as valence state change of cobalt has profound influence on the correlated evolution of SDW and ferrimagnetism. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄 ……………………………………………………………… iv 圖表目錄 ………………………………………………………… vi 第一章 緒論 ……………………………………………………… 1 1-1 背景簡介 ……………………………………………… 1 1-2 實驗目的與動機 ……………………………………… 9 第二章 基本原理介紹 ………………………………………… 10 2-1 Seebeck係數 ……………………………………… 10 2-2 熱傳導現象 ………………………………………… 10 2-3 熱電材料的優質係數 ………………………………… 14 2-4 磁性簡介 …………………………………………… 15 2-5 自旋密度波 …………………………………………… 22 2-6 鈷氧化物的Seebeck係數 …………………………… 25 第三章 樣品製備與結構精算分析 …………………………… 29 3-1 化學藥品與高溫爐之準備 …………………………… 29 3-2 熱電材料之Ca3-xYxCo4O9樣品製作 ………………… 30 3-3 JANA2000其操作流程 ……………………………… 33 3-4 Rietveld 精算法 ……………………………………… 34 3-5 X-ray 樣品之結構分析 ………………………………… 36 第四章 實驗裝置與量測系統 ………………………………… 41 4-1 X-ray繞射儀 ………………………………………… 41 4-2 自製的低溫電阻量測系統 …………………………… 43 4-3 物理性質量測系統PPMS(Physical property measurement system) ……………………………………………… 47 4-4 震動樣品磁性量測儀(Vibrating sample magnetometer; VSM) ………………………………………………… 56 4-5 熱傳輸性質量測儀 …………………………………… 59 第五章 實驗結果與討論 ……………………………………… 62 5-1 磁性分析 ……………………………………………… 62 5-2 電性分析 ……………………………………………… 69 5-3 磁阻分析 ……………………………………………… 75 5-4 Seebeck係數與熱傳導係數 ………………………… 80 第六章 結論 …………………………………………………… 85 參考文獻 ………………………………………………………… 87 圖表目錄 【圖 1-1】 NaCo2O4電阻率和Seebeck係數與溫度關係圖 …… 5 【圖1-2a】NaCo2O4結構圖 …………………………………… 5 【圖1-2b】NaCo2O4結構圖 …………………………………… 6 【圖 1-3】NaCo2O4在Na的位置上摻雜對電阻率與Seebeck係數的影響 ………………………………………………… 6 【圖 1-4】 [Ca2CoO3]0.62CoO2結構圖 ………………………… 7 【圖 1-5】 [Ca2CoO3] 0.62 CoO2 與γ - type Na0.7 CoO2熱電性質上的比較 …………………………………………………… 7 【圖 1-6】在磁場0 T、7 T下電阻率與磁阻值隨溫度變化圖形 ……………………………………………………… 8 【圖 1-7】[Ca2 Co O3] 0.62 CoO 2隨溫度變化之相圖 ………… 8 【圖2-1】聲子熱傳導與溫度的關係 ……………………… 12 【圖 2-2a】 順磁性之磁化強度與磁場的關係圖 …………… 17 【圖 2-2b】 順磁性之磁化率倒數與溫度的關係圖 ………… 18 【圖 2-2c】鐵磁與反鐵磁磁化率倒數與溫度的關係圖 ……… 18 【圖2-3】鐵磁性物質的磁區結構示意圖 …………………… 19 【圖2-4】磁滯曲線示意圖 ………………………………… 20 【圖2-5】鐵磁性磁化強度與溫度的關係圖 …………………… 20 【圖2-6】反鐵磁性之磁矩排列方式及磁化率與溫度的關係圖21 【圖2-7】陶鐵磁性之磁矩排列方式及磁化率倒數與溫度的關係圖 …………………………………………………… 22 【圖 2-8】 原子等距分布及其對應的電子組態 …………… 24 【圖 2-9】原子遠-近-遠-近的交替分配及其對應的電子組態 24 【圖 2-10】 各自旋組態所對應的簡併 ……………………… 28 【圖 3-1】Ca3-xYxCo4O9製程流程圖 ………………………… 32 【圖3-2】Ca3-xYxCo4O9(x=0,0.1,0.2,0.3) X-ray圖 …………… 38 【圖 3-3】Ca3Co4O9樣品經過JANA2000進行結構精算後之綜合圖譜 …………………………………………………… 39 【圖 3-4】Ca3-xYxCo4O9(x=0,0.1,0.2,0.3)電子顯微鏡圖( 2000倍) 40 【圖 3-5】Ca3-xYxCo4O9(x=0,0.1,0.2,0.3)電子顯微鏡圖( 5000倍) 40 【圖4-1】電阻量測系統線路概要配置圖 …………………… 45 【圖4-2】樣品接上白金線示意圖 …………………………… 46 【圖4-3】PPMS杜瓦瓶構造圖 ……………………………… 48 【圖4-4】 Sample Tube構造示意圖 ………………………… 52 【圖4-5】 PPMS磁場模式示意圖 ………………………… 55 【圖4-6】Coilset Puck 外觀示意圖 ………………………… 56 【圖4-7】Linear Motor Transport內部構造圖 …………… 57 【圖4-8】Sample holder示意圖 …………………………… 58 【圖4-9】樣品與儀器連接示意圖 ………………………… 59 【圖4-10】Shoe assembly實體圖 ………………………… 60 【圖4-11】樣品座實體圖 …………………………………… 60 【圖4-12】樣品實體大小……………………………………… 61 【圖 5-1】 Ca3-xYxCo4O9 (x = 0 0.1 0.2 0.3) 場冷的磁化強度與溫度關係圖 ……………………………………………… 64 【圖 5-2】 T = 5 K Ca3-xYxCo4O9 ( x = 0 0.1 0.2 0.3 ) 的磁化強度與外加磁場 …………………………………………… 64 【圖 5-3】 Ca3-xYxCo4O9 (x = 0 0.1 0.2 0.3) 場冷的磁化率與溫度關係圖 ………………………………………………… 65 【圖 5-4】x = 0 磁化率與溫度關係圖 ………………………… 65 【圖 5-5】x = 0.1 磁化率與溫度關係圖 ……………………… 66 【圖 5-6】x = 0.2 磁化率與溫度關係圖 ……………………… 66 【圖 5-7】x = 0.3 磁化率與溫度關係圖 ……………………… 67 【圖 5-8】有效磁矩與Y摻雜量的關係圖 …………………… 67 【圖 5-9】態位密度與能量關係圖 …………………………… 71 【圖 5-10】Ca3-xYxCo4O9 (x = 0 0.1 0.2 0.3) 電阻率與溫度關係圖, 插圖為lnρ與T(-1/2)關係圖 ……………………… 71 【圖 5-11】Ca3-xYxCo4O9 (x = 0,0.1,0.2,0.3) lnρ與T(-1/3), T(-1/4)關係圖 ……………………………………………………… 72 【圖 5-12】 Ca3-xYxCo4O9 (x = 0 0.1 0.2 0.3) d(lnρ)/d(1/T) 值與溫度關係圖………………………………………………… 72 【圖 5-13】x = 0 在外加磁場0 T、7 T的情況下,d(lnρ)/d(1/T) 值與溫度關係圖 ……………………………………… 73 【圖 5-14】x = 0.1在外加磁場0 T、7 T的情況下,d(lnρ)/d(1/T) 值與溫度關係圖 ……………………………………… 73 【圖 5-15】x = 0.2在外加磁場0 T、7 T的情況下,d(lnρ)/d(1/T) 值與溫度關係圖 …………………………………… 74 【圖 5-16】x = 0.3在外加磁場0 T、7 T的情況下,d(lnρ)/d(1/T) 值與溫度關係圖 ……………………………………… 74 【圖 5-17】x=0 MR%在不同磁場下的關係圖 ………………… 76 【圖5-18】x=0.1 MR%在不同磁場下的關係圖 ……………… 76 【圖5-19】x=0.2 MR%在不同磁場下的關係圖 ……………… 77 【圖5-20】x=0.3 MR%在不同磁場下的關係圖 …………… 77 【圖 5-21】 溫度15 K下不同Y摻雜量在不同磁場下的關係圖 78 【圖 5-22】 溫度25 K下不同Y摻雜量在不同磁場下的關係圖 78 【圖 5-23】溫度25 K下不同Y摻雜量在不同磁場平方下的關係圖 …………………………………………………… 79 【圖 5-24】溫度5 K下不同Y摻雜量在不同磁場平方下的關係圖 …………………………………………………… 79 【圖 5-25】Ca3-xYxCo4O9 (x = 0 0.1 0.2 0.3) Seebeck係數與溫度的關係圖 ………………………………………………… 82 【圖 5-26】由磁性結果Co3+與Co4+比例求出α值與Y摻雜量的關係圖 ………………………………………………… 82 【圖 5-27】Ca3Co4O9 在外加磁場0 T與5 T下Seebeck係數與溫度的關 ……………………………………………… 83 【圖 5-28】 Ca3-xYxCo4O9 (x = 0,0.1,0.2,0.3)熱傳導係數與溫度的關係圖………………………………………………… 83 【圖 5-29】 在300 K時ZT值與Y摻雜量的關係圖 ………… 84 【表2-1】各電子組態所對應的Seebeck係數 ……………… 28 【表3-1】由布拉格峰(hkl)的位置計算出晶格常數與Y摻雜量的關係圖 ……………………………………………… 37 【表3-2】利用JANA2000經算出晶格常數與Y摻雜量的關係圖 …………………………………………………… 37 【表 5-1】各參數與Y摻雜量的關係 ………………………… 68 |
參考文獻 |
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