晶体中3d~9离子自旋哈密顿参量的理论研究

论文摘要

不少功能材料的性能很大程度上取决于掺杂其中的过渡离子的电子结构和杂质缺陷行为,而电子顺磁共振（EPR）谱是研究掺过渡离子晶体和络合物光学和磁学以及局部结构性质的有效手段。3d9离子是过渡族中具有代表性和非常重要的体系,它在理想立方对称下只有一个基态和一个激发态,因其较简单的能级结构而备受关注。对于掺杂3d9离子的材料,已有大量EPR实验研究的报道,其实验结果通常用自旋哈密顿参量（各向异性g因子、超精细结构常数和超超精细结构参量等）描述。但是对上述实验结果的理论解释却不太令人满意,主要表现在i)前人工作大多基于简单的二阶微扰公式,且只考虑了中心离子旋轨耦合系数的贡献,而忽略了配体轨道和旋轨耦合作用的影响;ii)由于未能建立自旋哈密顿参量与杂质局部结构的关系,依靠引入较多调节参量来描述低对称畸变;iii)通常直接拟合两个超超精细结构参量实验值来获得未配对自旋密度fs和fσ,而未能建立它们与轨道混合系数和体系共价性等的定量关系。为了克服上述不足,本工作基于配位场理论,利用四角伸长和斜方（或正交）伸长（或压缩）八面体以及四角四面体中3d9(Ni+、Cu2+)离子自旋哈密顿参量高阶微扰公式,对一些前人未曾处理或满意解释的3d9体系进行了系统深入的理论分析,合理地解释了它们的EPR实验结果,并获得了杂质中心的局部结构信息。1)研究了PrBa2Cu3O6+x和Pr0.5Er0.5Ba2Cu3O6+x中Cu2+离子中心以及RbCaF3中无电荷补偿Ni+中心I和轴线上分别出现一个和两个F-离子空位的中心II和III的EPR谱和局部结构。对PrBa2Cu3O6+x和Pr0.5Er0.5Ba2Cu3O6+x体系,发现Jahn-Teller效应导致Cu-O键长沿C4轴分别伸长约0.05（A|°）和0.01（A|°）。针对RbCaF3中的三类Ni+中心,在离子簇模型基础上考虑了配体轨道和旋轨耦合作用的贡献,建立了四角场参量、分子轨道系数和未配对自旋密度等与杂质局部结构或光谱数据的关系。计算表明,Jahn-Teller效应引起中心I的杂质-配体键长沿C4轴伸长5%;超超精细结构参量的研究表明,中心I、II和III的未配对自旋密度分别为fs（≈0.28%、0.30%和0.31%）和fσ（≈1.55%、2.39%和2.68%）。2)针对斜方（或正交）伸长（或压缩）八面体中3d9离子的自旋哈密顿参量,利用其高阶微扰公式研究了相关体系的EPR谱和局部结构性质。i)合理解释了Y2BaCuO5中正交伸长八面体下Cu2+中心的g因子gx、gy和gz,发现Jahn-Teller效应引起配体八面体沿c轴伸长约0.05（A|°）,同时沿a和b轴方向的平面键长相对变化约为0.1（A|°）。ii)满意地解释了TiO2:Cu2+的各向异性g因子和超精细结构常数。由于Jahn-Teller效应,平面杂质-配体键将发生弯曲,导致键角比母体值增大约5.8°,从而显著减小了体系的斜方畸变。此外,还满意地解释了该杂质中心的光谱实验数据。iii)建立了正交压缩八面体中3d9离子自旋哈密顿参量的高阶微扰公式,据此分析了钨酸盐AWO4（A= Zn、Cd和Mg）中Cu2+的EPR谱和局部结构性质。发现Cu2+替代母体A2+后,由于Jahn-Teller效应和杂质-母体离子尺寸失配,杂质中心的配体八面体平面键长相对母体时略有变化,即CdWO4、ZnWO4和MgWO4中的杂质局部正交畸变可用平面杂质-配体键长相对差值0.096、0.021和0.028（A|°）表述。3)在离子簇模型基础上建立了四角畸变四面体中3d9离子自旋哈密顿参量的微扰公式,并将其中一些重要参数（如四角场参量、分子轨道系数等）与杂质局部结构和光谱数据相联系。将该公式应用于黄铜矿型ABS2硫化物中的四角Ni+中心,合理地解释了EPR实验结果。杂质Ni+取代母体A+离子后,由于尺寸失配,杂质-配体局部键角将有所改变。计算表明,CuAlS2、CuGaS2和AgGaS2的局部键角变化分别为-1.73°、-1.44°和-4.54°。此外,由于体系具有明显的共价性,配体轨道和旋轨耦合作用的贡献不能忽略。4)基于离子簇模型,建立了四角伸长八面体中4d7离子g因子和超超精细结构参量的高阶微扰公式,其中相关的分子轨道系数和未配对自旋密度由离子簇模型统一得到,并将该公式应用于AgX（X=Cl, Br）中的四角Pd3+中心。研究表明,Pd3+替代母体Ag+后,Jahn-Teller效应使[PdX6]3–基团沿C4轴分别伸长0.01和0.06（A|°）。有趣的是,四角伸长八面体中4d7离子的EPR行为与四角压缩八面体中3d9离子的情形非常类似,例如都表现出2A1g基态和gs（≈2.0023）≤g//≤g⊥的各向异性行为。同时,基于统一的理论公式和较少调节参量的超超精细结构参量计算值与实验符合较好,并克服了前人直接拟合超超精细结构参量实验值获得未配对自旋密度的不足。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 前人研究现状和本文的研究内容
• 9 离子自旋哈密顿参量的研究'>1.2.1 四角八面体对称下3d⁹离子自旋哈密顿参量的研究
• 2+（3d⁹）离子八面体正交对称下EPR 参量高阶微扰公式及应用'>1.2.2 Cu²⁺（3d⁹）离子八面体正交对称下EPR 参量高阶微扰公式及应用
• 2（A=Cu，Ag，B=Al，Ga）中四角Ni+中心'>1.2.3 ABS₂（A=Cu，Ag，B=Al，Ga）中四角Ni+中心
• 3+中心'>1.2.4 AgX（X=Cl，Br）中的四角Pd³⁺中心
• 1.3 本文的基本结构
• 第二章 晶体场与电子顺磁共振的基本理论
• 2.1 晶体场理论
• 2.1.1 基本假设
• 2.1.2 晶场势能
• 2.1.3 晶场耦合方案
• 2.1.4 晶体场模型
• 2.1.5 能量矩阵的建立
• N 离子的共价性'>2.1.6 晶体中d^N离子的共价性
• 2.1.7 Kramers 简并和Jahn-Teller 效应
• 2.2 电子顺磁共振理论
• 2.2.1 电子顺磁共振的基本原理
• 2.2.2 电子顺磁共振谱的线宽和线型
• 2.2.3 电子顺磁共振谱的描述-自旋哈密顿参量
• 2.2.4 顺磁体系的哈密顿量
• 2.2.5 自旋哈密顿理论简介
• 9离子自旋哈密顿参量的理论研究'>第三章 四角伸长八面体中3d⁹离子自旋哈密顿参量的理论研究
• 9 组态的晶场能级'>3.1 d⁹组态的晶场能级
• 9 离子自旋哈密顿参量微扰公式的建立'>3.2 伸长八面体中d⁹离子自旋哈密顿参量微扰公式的建立
• 3.2.1 传统晶体场模型公式
• 3.2.2 离子簇模型处理
• 3.2.3 改进的离子簇模型计算
• 9 离子自旋哈密顿参量的微扰公式'>3.2.4 四角伸长八面体中d⁹离子自旋哈密顿参量的微扰公式
• 3.2.5 应用
• 3.3 本章小结
• 9离子自旋哈密顿参量理论研究'>第四章 斜方（正交）八面体中3d⁹离子自旋哈密顿参量理论研究
• 9 离子的晶场势和能级分裂'>4.1 斜方（正交）对称下3d⁹离子的晶场势和能级分裂
• 9 离子自旋哈密顿参量的微扰公式'>4.2 斜方（正交）八面体中3d⁹离子自旋哈密顿参量的微扰公式
• 2B_1g（ε）为基态)'>4.2.1 伸长八面体情况(²B_1g（ε）为基态)
• 2A_1g’（θ）为基态)'>4.2.2 压缩八面体情况(²A_1g’（θ）为基态)
• 4.3 应用
• 2中斜方Cu²⁺中心自旋哈密顿参量的理论研究'>4.3.1 TiO₂中斜方Cu²⁺中心自旋哈密顿参量的理论研究
• 4.3.1.1 计算
• 4.3.1.2 结果与讨论
• 2BaCuO₅中Cu²⁺中心自旋哈密顿参量的理论研究'>4.3.2 Y₂BaCuO₅中Cu²⁺中心自旋哈密顿参量的理论研究
• 4（A=Zn,Cd,Mg）中Cu²⁺中心自旋哈密顿参量的理论研究'>4.3.3 AWO₄（A=Zn,Cd,Mg）中Cu²⁺中心自旋哈密顿参量的理论研究
• 4.4 本章小结
• 2（A=Cu,Ag;B=Al,Ga）:Ni⁺自旋哈密顿参量的理论研究'>第五章 ABS₂（A=Cu,Ag;B=Al,Ga）:Ni⁺自旋哈密顿参量的理论研究
• 9 离子的晶场能级分裂'>5.1 四角畸变四面体中3d⁹离子的晶场能级分裂
• 9 离子的自旋哈密顿参量公式建立'>5.2 四角畸变四面体场中3d⁹离子的自旋哈密顿参量公式建立
• 5.2.1 四面体中的单电子波函数
• 9 离子自旋哈密顿参量微扰公式的建立'>5.2.2 四角畸变四面体中3d⁹离子自旋哈密顿参量微扰公式的建立
• 2（A=Cu,Ag;B=Al,Ga）:Ni⁺体系自旋哈密顿参量的理论研究'>5.3 ABS₂（A=Cu,Ag;B=Al,Ga）:Ni⁺体系自旋哈密顿参量的理论研究
• 5.3.1 理论计算
• 5.3.2 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 3+中心自旋哈密顿参量的理论研究'>第六章 AgX（X=Br,Cl）中四角Pd³⁺中心自旋哈密顿参量的理论研究
• 7 组态的晶场能级'>6.1 4d⁷组态的晶场能级
• 7 离子自旋哈密顿参量的微扰公式'>6.2 四角伸长八面体中4d⁷离子自旋哈密顿参量的微扰公式
• 7 体系的离子簇模型处理'>6.2.1 八面体4d⁷体系的离子簇模型处理
• 7 离子自旋哈密顿参量的微扰公式'>6.2.2 四角伸长八面体中4d⁷离子自旋哈密顿参量的微扰公式
• 3+（X=Cl,Br）自旋哈密顿参量和缺陷结构分析'>6.3 AgX:Pd³⁺（X=Cl,Br）自旋哈密顿参量和缺陷结构分析
• 6.3.1 计算
• 6.3.2 结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的主要工作
• 7.2 特色和创新点
• 7.3 关于下一步工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果