钙钛矿材料XAFS研究以及能量调制XAFS方法研究

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钙钛矿型化合物是一类具有各种优异物理性质(光、电、磁等)的重要材料,在物理学和材料科学中均具有重要科学研究意义。近年来,含四价铬的钙钛矿型化合物,如SrCrO3、CaCrO3,由于其不同寻常的电学和磁学性质而被广泛研究。在高压下PbCrO3也被认为是一种含四价铬的钙钛矿型化合物,Cr4+位于六个氧原子构成的正八面体中心。然而,对PbCrO3在常压状态下的结构目前仍然存在争议。最近,有研究发现PbCrO3在压强为1.6GPa左右发生等结构相变现象,相变中体积塌缩达到9.8%。这是过渡金属氧化物中目前已知最大的体积塌缩现象。在本文中通过X射线吸收谱(X-ray absorption spectroscopy,简称XAS)和电阻测量等手段,对PbCrO3的结构以及高压等结构相变机理进行了研究。  调制技术是探测可见光范围反射或吸收光谱微小变化的有力工具,它能改善吸收光谱和反射光谱的对比度,突出静态谱中很难发现的微结构。但直到最近几年,调制技术才被引入到X射线吸收精细结构谱(X-ray Absorption Fine Structure,简称XAFS)实验中。通过周期性变化的外界参量来调制吸收谱,如波长、光照、磁场、温度、压强,可得到比常规吸收谱高数倍的探测精度。在2001年Spring8的M.Suzuki等人利用两个单色器的方式首次实现了能量调制吸收谱测量。能量调制吸收谱的测量结果显示其具有更高的分辨率和更好的信噪比。本论文一项重要工作就是依托BSRF(Beijing Synchrotron Radiation Facility)在国内发展了更容易实现能量调制吸收谱的新方法,并首次将能量调制吸收谱拓展到了扩展边范围。  通过本论文的研究,获得了以下具有创新性的研究成果:  (1)吸收谱的研究结果发现在常压下PbCrO3中Cr发生了价态分离(3Cr4+→2Cr3++ Cr6+),这也意味着常压下PbCrO3有复杂的微观结构,无法用简单的立方钙钛矿结构描述。通过毛细管聚焦方法,克服了金刚石压砧衍射和吸收对高压吸收谱测量的巨大影响,成功测量了PbCrO3材料中Cr和Pb的高压吸收谱。实验结果表明,PbCrO3加压到4.2GPa后,Cr价态由常压下的Cr3+和Cr6+转化为Cr4+,相变过程实际为Pb2+Cr3+2/3 Cr6+1/3O3→Pb2+Cr4+O3。这一研究结果为理解PbCrO3的结构以及高压等结构相变过程提供了全新的思路。  (2)高压电阻测量实验证实,PbCrO3在高压相变过程中电阻急剧减小,下降约三个数量级。最终在高压下PbCrO3表现出金属导电性,形成压致半导体-金属转变。这种电子由局域向非局域的转变与吸收谱的研究结论相一致。高压下大的体积塌缩可能与此半导体-金属转变密切相关。此外还观察到PbCrO3在低温下半导体能隙的变化,并在213K以下转变为金属。这些结果展现了PbCrO3丰富的电子结构变化,预示了复杂的微观结构。  (3)通过对BSRF中XAFS实验站原有单色器的改造,以调制单色器第二晶体角度的方式成功实现了对X射线能量的调制。利用锁相放大器和研制的信号处理电路板,在国内首次成功测量了能量调制吸收谱,在BSRF建立起了能量调制实验系统。在国际上首次将能量调制方法拓展到了扩展边吸收谱范围,成功获得了微分和差分XAFS谱,这将提高对吸收原子周围高配位层原子的检测能力。对Li2MnO3等样品的测试结果表明,此方法具有更高的分辨率和更好的信噪比,这将提高XAFS的检测能力,拓宽其应用领域。
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