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系統識別號 U0002-3101201819531000
中文論文名稱 多鐵性材料Ni3TeO6中的電子自旋調制結構
英文論文名稱 The Spin Modulated Structure in a Multiferroic Material: Ni3TeO6
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 106
學期 1
出版年 107
研究生中文姓名 戴文淇
研究生英文姓名 Wen-Chi Tai
學號 604210087
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-01-12
論文頁數 108頁
口試委員 指導教授-杜昭宏
委員-薛宏中
委員-朱明文
中文關鍵字 Ni3TeO6  多鐵性材料  反鐵磁性  電子自旋有序結構  X光共振彈性散射 
英文關鍵字 Ni3TeO6  Multiferroic material  Antiferromagnetism  Spin ordering structure  Reaonant X-ray elastic scattering 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要   多鐵性材料Ni3TeO6 (NTO)被證實在53 (K)之下形成了反鐵磁性的電子自旋有序結構,同時展現出磁電效應的特性,雖然NTO的相變行為被廣泛研究但是對於其結構的訊息仍然未知。本論文利用中子散射、X光共振散射以及單晶和粉末的X光繞射技術探討多鐵性材料Ni3TeO6的磁結構與晶體結構。
  中子對單晶NTO的彈性散射中觀察到磁結構的週期必須將晶格週期沿著c軸放大兩倍而得,其電子自旋有序結構波向量為Qso=(h, 0, l±1.5),隨著溫度上升,反鐵磁相轉變為順磁相是屬於二階相變化,相變溫度Tso約為53 (K)。在高解析X光單晶繞射實驗針對晶格繞射峰(0, 0, 6)、(1, 0, 10)與(0, 1, 8)顯示出c軸在Tso附近是非線性的變化,而單位晶胞體積的升溫曲線卻呈現線性膨脹的結果,由非對稱交換作用機制可知NTO的電子自旋與晶格有耦合的跡象。針對電子自旋有序結構以二向性的線偏振軟X光在Ni L-edge利用共振散射技術測量NTO的電子結構及磁矩的方向性,揭示磁矩有序陣列可能不是沿c軸反平行排列,而是反鐵磁傾斜結構,以最簡單的模型解出的磁矩方向是由c軸向a軸傾斜了約16.9°。NTO低溫下磁矩傾斜的源頭與先前研究指出在ab平面上的微弱鐵磁性都是由於Dzyaloshinskii-Moriya效應造成的電子自旋-晶格耦合所引起。
英文摘要 Ni3TeO6 (NTO) has been reported to show the magnetoelectricity properties below 53 (K), while an antiferromagnetic spin ordering also appears below Tso ~ 53 (K). The transport behavior of NTO has been studied largely, nevertheless, the detailed structural information is still of lack. This dissertation reports the study of the magnetic structure and lattice structure of the multiferroic material Ni3TeO6 using neutron scattering, resonant X-ray scattering, and X-ray powder and single crystal diffraction.
Using neutron diffraction on single crystals of NTO, the magnetic reflections Qso = (h, 0, l±1.5) were observed to double the unit cell along the c-axis, which also shows a second order transition with transition temperature Tso ~ 53 (K). Measurements of the nuclei Bragg reflections of (0, 0, 6), (1, 0, 10), and (0, 1, 8) using high resolution X-ray scattering demonstrate a nonlinearly behavior of c-axis while heating across Tso, but the thermal expansion of volume per unit cell is linear; the result reveals the sign of coupling about spin and lattice degrees of freedom in accordance to the asymmetric exchange. Resonant soft X-ray scattering with different polarized X-rays at Ni L-edge was also used to study the detailed electronic structure. The simplest model is built through the analyzing of data, this indicates that the direction of magnetic moments of NTO shifts away from the c-axis about 16.9°, which is suggesting a canted antiferromagnetic state. Due to the Dzyaloshinskii-Moriya effect, the spin-lattice coupling could be the origin of the canted array of magnetic moments and anisotropic weak ferromagnetism on ab-plane in NTO.
論文目次 緒論 1
第一章 散射原理 3
1-1 X光的發展 3
1-2 同步輻射光源介紹 4
1-3 晶體結構 8
1-3-1 晶體體系與晶格 8
1-3-2 倒晶格(Reciprocal Lattice) 11
1-4 布拉格定律(Bragg’s Law) 13
1-5 X光共振磁散射(Resonant X-Ray Magnetic Scattering) 16
1-5-1 散射截面積(Scattering Cross Section) 16
1-5-2 異常散射(Anomalous Scattering)原理 18
1-5-3 X光吸收光譜(X-ray Absorption Spectrum)原理 21
1-5-4 X光共振彈性散射(Resonant Elastic X-ray Scattering) 23
1-6 中子散射(Neutron Scattering) 31
第二章 電子自旋調制結構與晶格扭曲 33
2-1 磁性與電子自旋有序(Spin Ordering)排列 33
2-2 電子自旋交換機制(Spin Exchange Mechanism) 36
2-2-1 海森堡交換(Heisenberg Exchange Mechanism) 36
2-2-2 超交換機制(Superexchange Mechanism) 37
2-2-3 雙交換機制(Double Exchange Mechanism) 39
2-2-4 Goodenough-Kanamori-Anderson(GKA)規則 40
2-3 晶格扭曲(Lattice Distortion) 43
2-3-1 Jahn-Teller扭曲 43
2-3-2 Dzyaloshinskii-Moriya(DM)交互作用 45
第三章 Ni3TeO6樣品介紹與實驗方法 47
3-1 Ni3TeO6製程與結構 47
3-2 Ni3TeO6的物理特性 51
3-3 硬X光繞射實驗儀器與方法 63
3-4 軟X光共振散射實驗儀器與方法 71
第四章 實驗數據與分析 77
4-1 樣品幾何與散射平面關係 77
4-2 中子散射實驗數據 79
4-3 硬X光繞射實驗數據 82
4-3-1 晶格長度變溫量測 82
4-3-2 相變溫度前後的Ni3TeO6粉末繞射量測 85
4-3-3 硬X光共振散射實驗 86
4-4 軟X光共振散射實驗數據 89
4-5 實驗結果分析與討論 92
第五章 結論 103
參考文獻 106

圖1-1 同步輻射光產生示意圖。 4
圖1-2 同步輻射光之電磁波譜。 5
圖1-3 國家同步輻射研究中心台灣光源加速器設施示意圖。 6
圖1-4 超導增頻磁鐵(Wiggler)發光機制。 7
圖1-5 超導聚頻磁鐵(Undulator)發光機制。 7
圖1-6 插件磁鐵之亮度與光子能量比較圖。 7
圖1-7 單位晶胞(Unit cell)。 8
圖1-8 十四種單位晶胞。 9
圖1-9 晶格面的密勒指數。 11
圖1-10 布拉格繞射示意圖。 13
圖1-11 散射因子實部與虛部作圖結果。 20
圖1-12 X光吸收過程示意圖。 21
圖1-13 X光入射、散射方向與光線偏振方向和晶體磁矩方向的幾何關係示意圖。 29
圖2-1 磁性與磁矩排列方式示意圖。 33
圖2-2 MnO超交換作用機制示意圖。 38
圖2-3 La1-xAxMnO3雙交換作用機制示意圖。 40
圖2-4 GKA rules第一規則交換作用示意圖。 41
圖2-5 GKA rules第二規則交換作用示意圖。 42
圖2-6 GKA rules第三規則交換作用示意圖。 42
圖2-7 晶格場效應使能階分裂示意圖。 44
圖2-8 Jahn-Teller distortion造成過渡金屬與氧形成的八面體沿著(a)z軸拉伸(b)z軸縮短示意圖。 44
圖2-9 DM interaction解釋磁化強度的各向異性源自於傾斜磁矩(Canted magnetic moments)。 46
圖3-1 室溫下Ni3TeO6單位晶胞結構圖。 48
圖3-2 Ni3TeO6層狀結構堆疊方式示意圖。 49
圖3-3 單晶Ni3TeO6樣品照。 50
圖3-4 變溫比熱量測圖,縮圖為變磁場之臨界溫度偏移圖。 51
圖3-5 變溫磁化率量測圖,縮圖為Curie-Weiss擬合曲線。 52
圖3-6 Ni3TeO6中子粉末磁散射圖。 52
圖3-7 Ni3TeO6磁結構與鎳鎳離子間超交換作用種類圖。 54
圖3-8 Ni3TeO6單晶的結構域牆(Domain wall)示意圖。 57
圖3-9 Ni3TeO6單晶的手性(Chiral)結構示意圖。 57
圖3-10 Ni之d-d躍遷及3d軌域電子組態示意圖。 58
圖3-11 (a)紫外-可見光光度法吸收譜圖及分析(b)LDA+U計算之Ni3TeO6電子態密度(DOS)圖。 59
圖3-12 GGA+U計算Ni之3d軌域DOS圖,黑色實線代表自旋向上,紅色實線表示自旋向下。 60
圖3-13 Ni3TeO6之遠紅外線吸收光譜圖。 61
圖3-14 平行c軸171 cm-1、214 cm-1 吸收峰位置變溫偏移圖。 62
圖3-15 垂直c軸特定頻率的聲子變溫頻率偏移圖。 62
圖3-16 DFT+U計算出Ni八面體(綠)的扭曲模式。 63
圖3-17 國家同步輻射研究中心光束線07A1元件示意圖。 64
圖3-18 BL07A八環繞射儀。 65
圖3-19 Cryostat carrier。 67
圖3-20 Cryostat (ARS DE-202G)。 67
圖3-21 Lakeshore model 331溫控器。 68
圖3-22 氦氣壓縮機(Compressor)。 68
圖3-23 Turbo-真空幫浦。 68
圖3-24 鈹窗。 69
圖3-25 國家同步輻射研究中心光束線05A1元件示意圖。 71
圖3-26 EPU光束線二環繞射儀腔體及溫控裝置。 73
圖3-27 EPU二環繞射儀俯視示意圖。 74
圖4-1 Ni3TeO6軸向、散射平面與X光線偏振關係示意圖。 77
圖4-2 室溫下Ni3TeO6之(H 0 L)面2D中子繞射圖。 79
圖4-3 5 (K)時(H 0 L)面之中子2D散射圖,藍色底波向量是布拉格 繞射峰,橘色底波向量為磁有序結構產生的繞射峰。 80
圖4-4 波向量QSO(-1, 0, 0.5)強度變溫圖,紅線為擬合結果。 81
圖4-5 布拉格繞射峰(0, 0, 6)有無分光儀θ-2θ掃描比較圖。 82
圖4-6 布拉格峰QBP(0, 0, 6)(藍)、QBP (1, 0, 10)(紅)和QBP (0, 1, 8) (黑)位置對溫度變化圖。 83
圖4-7 c軸長度及體積變溫曲線,插圖是溫變a軸或b軸長。 84
圖4-8 磁相變前後溫度Ni3TeO6粉末繞射圖比較,黑色實線為11 (K)之粉末繞射曲線,紅色虛線為80 (K)粉末繞射結果。 85
圖4-9 11 (K) Ni3TeO6粉末繞射圖的結構精算,黑色線為實驗,紅色為結果,綠色直線為布拉格峰位置,藍色為誤差曲線。 86
圖4-10 20 (K)、能量8.3317 (keV)下倒空間(0, 0, l)之線性掃描,插圖是對Ni K-edge吸收譜圖。 87
圖4-11 針對Q(0, 0, 7.633)磁性相變前後實空間之θ-2θ掃描,紅色球表示溫度20K之掃描圖,藍色球表示80K時掃描圖。 88
圖4-12 水平(π)、垂直(σ)線偏振與左右旋圓偏振入射X光針對QSO(0, 0, 1.5)分割掃描積分強度-能量譜圖,插圖為Ni之L3,2-dege 吸收譜圖。 90
圖4-13 水平(π)、垂直(σ)線偏振與左右旋圓偏振入射X光針對QSO(0, 0, 1.5)分割掃描最強點對應能量及繞射峰形狀圖。 90
圖4-14 TbMnO3針對磁有序波向量之硬X光共振散射圖[55]。 95
圖4-15 線偏振軟X光之分割掃描光譜圖。 96
圖4-16 正交磁矩座標、X光偏振與散射面關係圖。 97
圖4-17 橢圓偏振軟X光之共振分割掃描圖。 100
圖4-18 左右旋偏振光在湯木生散射與共振磁散射中與偵測器角度的關係示意圖。 101

表1-1 七大晶格體系與十四種晶格結構關係。 10
表1-2 各晶系的實空間倒空間向量與晶格間距關係式。 15
表1-3 p階展開與電子的EL躍遷表示可觀察到的波向量類型。 27
表1-4 某些元素對於特定殼層共振散射強度增加效果。 30
表3-1 Ni3TeO6超交換作用之Ni-O鍵長、Ni-O-Ni鍵夾角。 55
表3-2 GGA+U計算之Ni3TeO6超交換作用能量值(meV)。 55
表3-3 EPU phase對應的偏振型態。 72
表4-1 四種偏振下最強能量點的Normal scan擬合結果。 91
參考文獻 參考文獻
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