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| 系統識別號 |
U0002-2510200614492000 |
| 中文論文名稱
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電子掺雜對層狀不相稱的鈷氧化物Ca3-xYxCo4O9 物理性質之影響 |
| 英文論文名稱
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Effect of electron doping on physical properties of misfit-layered cobaltite Ca3-xYxCo4O9 |
| 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 |
94 |
| 學期 |
2 |
| 出版年 |
95 |
| 研究生中文姓名 |
潘俊傑 |
| 研究生英文姓名 |
Jiun-Jie Pan |
| 學號 |
692180127 |
| 學位類別 |
碩士 |
| 語文別 |
中文 |
| 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
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| 中文關鍵字 |
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
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| 英文關鍵字 |
spin-density-wave
ferromagneticcorrelation
ferrimagnetism
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| 學科別分類 |
學科別＞自然科學＞物理
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| 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. |
| 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
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| 參考文獻 |
參考文獻
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