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研究生: 吳冠賢
論文名稱: 電荷密度波材料BaRuO3、BaIrO3、Sr2IrO4之光譜研究
指導教授: 劉祥麟
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 117
中文關鍵詞: 電荷密度波拉曼散射光譜全頻光譜
論文種類: 學術論文
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我們研究具有4d電子軌域的(9R) 、和具有5d電子軌域的 及 單晶樣品之光譜特性,並探討電荷密度波或磁性相變對這些系統之晶格與內部電子結構所造成的影響。
首先,我們分析(9R) 的拉曼散射光譜,與之前的論文結果[Phys. Rev. B 65, 235113 (2002)]完全吻合。其次, 的變溫拉曼散射光譜顯示其中Ag(Ir)及Bg(O)振動模在電荷密度波相變溫度以下,產生強烈的藍位移及分裂成兩個峰的現象,顯示聲子與電子的耦合強度增強。此外,相似的聲子異常情形也發生在Sr2IrO4的鐵磁有序及電荷密度波相變溫度之下。
最後,我們分析 單晶的全頻光譜,我們估計Sr2IrO4的庫侖排斥能量U大約為1.09 eV,晶格場分裂能量10Dq大約為2.94 eV,而電荷躍遷能隙Δpd大約為3.20 eV。由於 的5d電子軌域比3d或4d系統更加地延伸,所以庫侖排斥能量U減小,且與O 2p軌域有更多的交錯重疊,導致其電荷躍遷能隙Δpd及晶格場分裂能量10Dq增加。

We report the Raman-scattering and optical reflectance measurements of single-crystalline BaRuO3, BaIrO3 and Sr2IrO4 as a function of temperature. These materials are interesting on account of their large spatial extent of 4d- and 5d-electron orbitals. The room-temperature Raman sprctra of BaRuO3 are consistent with those of the previous reports published in [Phys. Rev. B 65, 235113 (2002).]. By lowering the temperature and crossing the charge-density-wave (CDW) transitions, the lattice parameters of some certain phonon modes in BaIrO3 and Sr2IrO4 show abnormal behaviors, reflecting the strong electron-phonon coupling effects play an important role in the CDW state of these materials. Moreover, the on-set Coulomb repulsion energy U, the crystal-field splitting 10Dq,and the charge-transfer energy Δpd of Sr2IrO4 are estimated to be ~ 1.09, 2.94, and 3.20 eV from analyzing the optical conductivity data. Compared with the case of 3d and 4d, the parameter of U is decreasing, in agreement with the extended nature of the orbitals in the 5d oxides; 10Dq and Δpd are increasing, indicating the enhanced d-p hybridization.

目 錄 中文摘要 …………………………………………………………… i 英文摘要 …………………………………………………………… ii 目錄 ………………………………………………………………… iii 表目錄 ……………………………………………………………… vii 圖目錄 ……………………………………………………………… v 第一章 緒論 ………………………………………………………… 1 第二章 研究背景 …………………………………………………… 6 第三章Ugo Fano 和光譜中的反共振現象 ……………………… 21 第四章 實驗樣品特性 …………………………………………… 29 4-1 九層(9R)的 單晶 ……………………………… 29 4-2 單晶 ……………………………………………… 31 4-3 單晶 ……………………………………………… 33 第五章 實驗結果與討論 ………………………………………… 52 5-1 雷射拉曼散射光譜 ………………………………………… 52 5-1-1 (9R)的 單晶 ……………………………… 52 5-1-2 單晶 ………………………………………… 54 5-1-3 單晶 ………………………………………… 56 5-2全頻光譜 …………………………………………………… 59 第六章 結論與未來展望 ………………………………………… 116 參考文獻 …………………………………………………………… 118 表目錄 表4.2.1 BaIrO3結構之原子對應位置圖 …………………………...…35 表4.2.2 子群特性表。取材於文獻 ……………………………………35 表4.2.3 C2h主群與子群之相關表 ……………………………….……36 表4.3.1 結構之原子對應位置圖 ………………………..……36 表4.3.2各子群對應的振動模 ………………………………………...37 表4.3.3 D4h主群與子群之相關表 ………………………………….…38 表5.1.1 在300 K時,(9R) 的各個拉曼活性振動模 ……..…63 表5.1.2 在300 K時, 的各個拉曼活性振動模 ……………….64 表5.1.3 由Fano模型擬合 單晶在不同溫度之拉曼光譜曲線所得的參數表 ………………………………………………….…65 表5.1.4 在300 K時,Sr2IrO4的各個拉曼活性振動模 ……………….66 表5.1.5由Lorentzian-Fano模型擬合 單晶在不同溫度之拉曼光譜曲線所得的參數表 …………………………………….…67 表5.2.1由Lorentzian-Fano模型擬合 單晶在不同溫度之光譜曲線所得的參數表 …………………………………………….68 表5.2.2 由Lorentzian-Fano模型擬合 單晶在不同溫度之光譜曲線所得的參數表 …………………………………………….69 表5.2.3由勞倫茲模型擬合 單晶在中紅外到紫外光區光學電導率曲線所得的參數表 ……………………………………….70 圖目錄 圖2.1 在平均場相變溫度之上,一維金屬系統的聲頻聲子分佈隨著不同溫度變化的情形 …………………………………………...10 圖2.2 晶格未扭曲的一維線性金屬系統,原子等距排列與其電子的能態 ……………………………………………………………...11 圖2.3 皮爾斯所預測的一維線性金屬系統,晶格扭曲後,費米面打開一個能隙示意圖 ……………………………………………...11 圖2.4 在平均場相變溫度時,不同維度金屬系統的聲頻聲子分布情形 ……………………………………………………………...12 圖2.5 的晶體結構 ……………………………13 圖2.6 的晶體結構 …………………………………………..14 圖2.7 的晶體結構 ………………………………………..…15 圖2.8 室溫下,測量平行及垂直鏈方向(c軸)的 反射率 ………………………………………………………...16 圖2.9 沿著 的鏈軸方向,電阻率隨溫度變化的情形 ………17 圖2.10 沿著 的鏈軸方向(b軸),電荷密度波相變溫度之上(300 K)和之下(5 K)的光學電導率 ………………………18 圖2.11 在室溫下,測量平行及垂直鏈方向(a軸)的 光學電導率 ……………………………………………………..19 圖2.12 的比熱隨著溫度變化的情形。小圖為在相變溫度附近,減去背景值之後比熱的變化情形………………………20 圖3.1 Fano耦合系統的能量示意圖 …………………………………25 圖3.2 Fano耦合作用下,造成不對稱的譜線 ………………………25 圖3.3 沒有Fano耦合作用,只有連續態與不連續態的疊加 ………26 圖3.4 理想不連續自動游離能階在連續態下,改變不同q值所得的不對稱曲線 ……………………………………………………...26 圖3.5 理想不連續自動游離能階在連續態下,改變不同 值所得的不對稱曲線 ……………………………………………………...27 圖3.6 光子、聲子與電子間互相耦合的三種形式。取材於文獻 …….27 圖3.7 聲子的不連續能階 與電子的連續態 ,因位勢 產生的能量Fano耦合示意圖 ……………………………………..28 圖4.1.1 9R 的晶格結構圖 …………………………………..39 圖4.1.2 9R 的電阻率隨溫度變化關係圖, 為金屬態相變成絕緣態的溫度 ……………………………………………….40 圖4.1.3 9R 於300 K和100 K的反射率圖,此兩溫度下的 皆為金屬態 …………………………………………41 圖4.1.4 9R 於300 K和100 K的光學電導率圖,三角形和圓形符號分別代表100 K和300 K的電阻率 ………………...42 圖4.1.5 在300 K時,入射光電場平行與垂直a-b平面的9R 之拉曼散射光譜 ……………………………………………43 圖4.1.6 9R 的 、 、 和 拉曼聲子頻率隨溫度變化圖 ………………………………………….44 圖4.2.1 的 八面體,面共享所形成的 三聚體,與c軸和a-b平面的結構圖 ………………………………………45 圖4.2.2 在沿c軸外加50 Oe的磁場下, 磁化率隨溫度變化的關係圖 ………………………………………………………46 圖4.2.3 沿c軸和a-b平面測量, 電阻率隨溫度變化圖………47 圖4.2.4 沿c軸和a-b平面,測量300 K和15 K所得的 光學電導率 ………………………………………………………….48 圖4.3.1 的晶相結構圖與c軸方向各層的示意圖 …………...49 圖4.3.2 在沿c軸與a軸外加0.5特士拉的磁場下, 磁化率隨溫度變化的關係圖 ………………………………………….50 圖4.3.3 在沿c軸與a軸外加0.1 mA的電流下, 電阻率隨溫度變化的關係圖 ……………………………………………51 圖5.1.1 偏振拉曼散射實驗量測示意圖 ……………………………71 圖5.1.2 單晶之室溫微觀偏振拉曼散射光譜,雷射激發光源波長為514.5 nm ……………………………………………..71 圖5.1.3 單晶之室溫非偏振微觀拉曼散射光譜圖,雷射激發光源波長為632.8 nm ………………………………………72 圖5.1.4 單晶之室溫微觀偏振拉曼散射光譜,雷射激發光源波長為514.5 nm ………………………………………………..72 圖5.1.5 單晶在45o(⊥)偏振方向之變溫拉曼散射光譜,雷射激發光源波長為514.5 nm ………………………………..73 圖5.1.6 單晶在(//)偏振方向之變溫拉曼散射光譜,雷射激發光源波長為514.5 nm ……………………………………..73 圖5.1.7 Fano模型擬合所計算出300 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …………………74 圖5.1.8 Fano模型擬合所計算出250 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …………………74 圖5.1.9 Fano模型擬合所計算出200 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …………………75 圖5.1.10 Fano模型擬合所計算出175 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …………………75 圖5.1.11 Fano模型擬合所計算出150 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …………………76 圖5.1.12 Fano模型擬合所計算出100 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …………………76 圖5.1.13 Fano模型擬合所計算出75 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …………………77 圖5.1.14 Fano模型擬合所計算出50 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 ………………..77 圖5.1.15 Fano模型擬合所計算出25 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 ………………..78 圖5.1.16 Fano模型擬合所計算出10 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 ………………..78 圖5.1.17 單晶的peak 1拉曼吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖………………………79 圖5.1.18 單晶的peak 2拉曼吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖 ……………………...79 圖5.1.19 單晶的peak 3拉曼吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖………………………80 圖5.1.20 單晶的peak 4拉曼吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖 ……………………...80 圖5.1.21 以勞倫茲模型擬合 單晶的peak 5拉曼吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度與溫度關係圖 …………………..81 圖5.1.22 單晶的peak 6拉曼吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖 ……………………...81 圖5.1.23 單晶的peak 7拉曼吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖 ……………………...82 圖5.1.24 單晶的peak 8拉曼吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖 ……………………...82 圖5.1.25 單晶之室溫微觀偏振拉曼散射光譜,雷射激發光源波長為514.5 nm ……………………………………………83 圖5.1.26 單晶之室溫微觀共振拉曼散射光譜圖,雷射激發光源波長分別為632.8 、514.5、457.9及325.0 nm …………..83 圖5.1.27 單晶各振動模歸一化強度與入射光子能量的關係 …………………………………………………………..84 圖5.1.28 單晶在(//)偏振方向之變溫拉曼散射光譜,雷射激發光源波長為514.5 nm ……………………………………84 圖5.1.29 單晶在45o(⊥)偏振方向之變溫拉曼散射光譜,雷射激發光源波長為514.5 nm ………………………………85 圖5.1.30 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出300 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …….85 圖5.1.31 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出250 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …….86 圖5.1.32 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出225 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …….86 圖5.1.33 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出200 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …….87 圖5.1.34 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出150 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …….87 圖5.1.35 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出125 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …….88 圖5.1.36 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出100 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …….88 圖5.1.37 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出50 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …………89 圖5.1.38 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出10 K時 單晶在(//)偏振方向的拉曼散射光譜曲線與實驗結果比較 …………89 圖5.1.39 單晶的peak 1拉曼吸收峰之頻率、半高寬及歸一化強度與溫度關係圖 …………………………………………90 圖5.1.40 單晶的peak 2拉曼吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖 ………………………90 圖5.1.41 單晶的peak 3拉曼吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖 ………………………91 圖5.1.42 單晶的peak 4拉曼吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖 ………………………91 圖5.1.43 單晶的peak 5拉曼吸收峰之頻率、半高寬及歸一化強度與溫度關係圖 ………………………………………92 圖5.1.44 單晶的peak 6拉曼吸收峰之頻率、半高寬及歸一化強度與溫度關係圖 ………………………………………92 圖5.1.45 單晶的peak 7拉曼吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖………………………93 圖5.2.1 單晶在不同溫度下的反射率對光頻率關係圖 ……..94 圖5.2.2 單晶在不同溫度下的遠紅外光區光學電導率對光頻率關係圖 ………………………………………………………95 圖5.2.3 單晶的peak 1、2、3紅外吸收峰隨溫度變化情形 …96 圖5.2.4 單晶的peak 4、5、6紅外吸收峰隨溫度變化情形 …96 圖5.2.5 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出340 K時 單晶80到170 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 ……………97 圖5.2.6 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出300 K時 單晶80到170 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 ………………97 圖5.2.7 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出260 K時 單晶80到170 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 ………………98 圖5.2.8 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出245 K時 單晶80到170 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 ……………….98 圖5.2.9 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出235 K時 單晶80到170 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 ……………99 圖5.2.10 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出220 K時 單晶80到170 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………99 圖5.2.11 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出200 K時 單晶80到170 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………100 圖5.2.12 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出180 K時 單晶80到170 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………100 圖5.2.13 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出150 K時 單晶80到170 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………101 圖5.2.14 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出100 K時 單晶80到170 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………101 圖5.2.15 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出50 K時 單晶80到170 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 ……………102 圖5.2.16 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出20 K時 單晶80到170 範圍的光譜曲線與實驗結果比較. ……………102 圖5.2.17 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出340 K時 單晶250到800 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………103 圖5.2.18 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出300 K時 單晶250到800 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………103 圖5.2.19 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出260 K時 單晶250到800 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………104 圖5.2.20 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出245 K時 單晶250到800 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………104 圖5.2.21 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出235 K時 單晶250到800 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………105 圖5.2.22 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出220 K時 單晶250到800 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………105 圖5.2.23 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出200 K時 單晶250到800 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………..106 圖5.2.24 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出180 K時 單晶250到800 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………106 圖5.2.25 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出150 K時 單晶250到800 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………107 圖5.2.26 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出100 K時 單晶250到800 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………107 圖5.2.27 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出50 K時 單晶250到800 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………108 圖5.2.28 Lorentzian-Fano模型擬合所計算出20 K時 單晶250到800 範圍的光譜曲線與實驗結果比較 …………108 圖5.2.29 單晶的peak 1紅外吸收峰之頻率、半高寬及歸一化強度與溫度關係圖 ………………………………………109 圖5.2.30 單晶的peak 2紅外吸收峰之頻率、半高寬及歸一化強度與溫度關係圖 ………………………………………109 圖5.2.31 單晶的peak 3紅外吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖 ………………………110 圖5.2.32 單晶的peak 4紅外吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖 ………………………110 圖5.2.33 單晶的peak 5紅外吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖 ………………………111 圖5.2.34 單晶的peak 6紅外吸收峰之頻率、半高寬、歸一化強度及反對稱參數q與溫度關係圖 ………………………111 圖5.2.35 單晶的peak 7紅外吸收峰之頻率、半高寬及歸一化強度與溫度關係圖……………………………………….…112 圖5.2.36 單晶的peak 8紅外吸收峰之頻率、半高寬及歸一化強度與溫度關係圖………………………………………….112 圖5.2.37 單晶的peak 9紅外吸收峰之頻率、半高寬及歸一化強度反對稱參數q與溫度關係圖 …………………………113 圖5.2.38 單晶在不同溫度下的近紅外光、可見光與紫外光區光學電導率對光頻率關係圖 ……………………………...114 圖5.2.39 勞倫茲模型擬合所計算出 單晶在中紅外到紫外光區的光學電導率曲線與實驗結果比較 …………………...…115 圖5.2.40 電子結構概要圖 ………………………………………..…115

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