（凝聚态物理专业论文）linbo3：mn单晶的电子自旋共振实验及分析.pdf

捕要 摘要 本论文主要是采用电子自旋共振的方法，讨论顺磁晶体l i n b 0 3 晶体掺锰的 精细结构和超精细结构。铌酸锂晶体是重要的光折变晶体，其中的掺杂离子更是 起着重要的作用。本文就是从实验的角度分析了铌酸锂晶体掺锰的电子自旋共 振。 铌酸锂晶体掺锰的电子自旋共振跃迁中，前人的研究中发现了符合选择定则 的五组跃迁，但是在我们的实验中却发现了七组跃迁，其中有两组禁戒跃迁，当 然，禁戒跃迁信号的强度比正常跃迁信号的强度弱得多。产生禁戒跃迁的原因是 由于能级靠的比较近而造成的。 离子的电子自旋共振谱的分析主要通过分析该谱的g 因子、精细结构常数、 超精细结构分裂常数来确定。论文中用几何相似的方法求出了零场分裂时的能级 间隔的表达式i 毛i = v1 一盏) 和l 岛l = ( 1 一每) v ，通过对e s r 谱的分析，利用 求得的能级间隔表达式，得出零磁场的能级分裂数值：i ) 与i ) 之间的能量 间隔为a e l = 1 9 1 4 x 1 0 。4 c m ，而l ) 与i 士专) 之间的能量间隔为 岛= 2 6 3 3 x 1 0 _ 4 c m ：其各向异性朗德因子g = 2 1 8 1 0 ，9 1 = 2 0 9 3 6 8 ；精细结 构常数d = 一7 5 7 x 1 0 _ 4 c m ；超精细结构常数一，= 8 8 3 6 x 1 0 _ 4 c m ，即精细结构 相互作用要比超精细结构相互作用大得多。 关键词电子自旋共振：禁戒跃迁；精细结构 北京工业犬学理学碗士学位论盘 ! s _ 目e _ i i l l i i i i i 目 a b s t r a c t t h e p a p e r d i s c u s s e sm o s t l yf i n es t r u c t u r ea n dh y p e r f m es l l a l c t u r eo fs i n g l ec r y s t a l b ye l e c t r o ns p i nr e s o n a n c e l i t h i u mn i o b a t ei s ai m p o r t a n tp h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l ， a n d e s p e c i a l l ym ni o n # a y a r ti m p o r t a n tr o t ei np h o t o - r e f r a c t i v ee f f e c t ，i nt h i sp a p e r , f r o mt h ee x p e r i m e n t ，t h ee l e c t r o ns p i nr e s o n a n c eo f l i t h i u mn i o b a t ed o p e dm ni s s t u d i e d ；。 f o rt h et r a n s i t i o no f e s ro f l i t h i u mn i o b a t ed o p e dm n ，p r e c e d i n g p e o p l ef o e n d f i v e g r o u p st r a n s i t i o n sa c c o r d i n gw i t he h o i e ns t a r g t a l x w e r ef o u n d ，b u ti n o u r e x p e r i m e n ts e v e ng r o u p st r a n s i t i o n si n c l u d i n gt w of o r b i d d e nt r a n s i t i o n sg r o u p sa r e f o u n d ，o fc o l k r s e ，t h ei n t e n s i t yo ff o r b i d d e nt r a n s i t i o n s 瓤t e s st h a nn o r m a l t r a n s i t i o n s t h ef o r b i d d e nt r a n s i t i o n sc o m ei n t ob e i n g ，t h a tb e c a u s ed i s t a n c eb e t w e e n e r i e r g j e si sv e r y n e l l _ r t h ea n a l y s i so ft h ee l e c t r o ns p i nr e s o n a n c eo fi o ni sm o s t l yb yt h egf a c t o r ，f i n e s t r u c t u r ec o n s t a n ta n dh y p e r f i n es t r u c t u r ec o n s t a n t t h ee x p r e s s i o n so ft h ee n e r g i e s g a pa r eg o tb yg e o m e t r i c a ls i m i l i t u d e - e l _ p1 一盏) a n d1 蝇i = ( 1 一鲁) y u s i n g t h ee q u a t i o no f e n e r g i e sg a p ，if i n dt h a tt h ee n e r g yb e t w e e n | 蓊a n d | 士 i s 日= t 9 1 4 x i 0 。c 圳，w h i l e t h e e n e r g y o fb e t w e e n l 莉 a n d l 势 i s a s 2 = 2 6 3 3 x l 旷c m ，t h ea n i s o t r o p i c l a n d e rf a c t o r a 托繇= 2 t 8 1 0 ， 9 1 = 2 0 9 3 6 8 t h e f i n es t r u c t u r ec o n s t a n td = 一7 5 7 x 1 0 - 4 c m 一t h eh y p e r f i n e s t r u c t u r ec o n s t a n ti s 文= 8 8 3 6 xi 0 。c m f r o mt h ev a l u e ，t h ei n t e r a c t i o no ff i n e s t r u c t u r ei sl a r g e rt h a no n eo f h y p e r f i n es t r u c t u r e k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cs p i nr e s o n a n c e ；f o r b i d d e nt r a n s i t i o n ；f i n es t r u c t u r e ； 独铡性声蹈 本人声嘲所呈冀的论文烂我个人在导师指导下进行的研究工作擞 取缮懿磅突戚聚嬖我麓麓，除了交申褥爨搬黻蠡注黎致辩辩逢方乡 ， 论文中不包含其他人已经发寝或撰写过的研究成果，也不包畲为获得 j 京工监大学袁其它教育拢搀秘学位或涯书髓茨熏遗酌毒| 秘。与我 同工作的耐卷对本研究所黻的任何贾献均已谯论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：涨煎莼日期：a 翌摭羔! 塑 奖于论文使舞援投豹说弱 本人完垒了解北京工业大学有关像窝、使用学位论文的规定，目p ： 学校鸯粳爨錾遴交论文酶复窜斧，允许论文藏查游器鬻离；学校可敬 公布论文的垒部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段慷 毒论文 ( 保密的论文在解密后成遵守此规定) 鍪晷妣导簿簦玺磷嘛盈建翁玉摩。 幂1 辛靖诧 第l 章绪论 1 。 论文豹稀羟背景及萁激义 钱酸锂晶体( l i n b 0 3 ) 具有优异的电光、膨光及非线性光学性能i 同时生 长王艺成熟、性能稳迩、不苛求健臻环壤簧终邀是使它在众多哥类毙费鼢嵇辩孛 牢谣占据重要遣位酌艨因。 销黻锂晶体今年辩乏在信息领域的应用越米髓广泛，如襁光存储、光通讯、声 是器 串、激光应用簿方面，键酸键菇揍已或为毒要戆光电材料。太镪逶鬻怒通过 改变l i ，n b 组分诧、氯化还原处理、掺杂工程蹲乎段，来优化晶体的光电性能( 快 响应、黼非线性系数、强的抗光熊力、适度的矫顽电压等) 。但是到目前为止人 f 】对影晌键酸铿最俸按术应廷技能黔掺杂缺酸嵇眷争议。霹戴我 j 有必要遵逑实 验来磷鼹下掺杂离予韵情况，醴达到有效融调控铌酸锤晶体光电性黯的翻韵。 1 9 5 6 年首次发现了交换偏鬣现象，交换偏鼹现象是指磁滞回线的中心向冷 却场麓发淹德移，窀怒俸隧在铁磁一反铁磁毒手辫鹣晃嚣产生豹交换蚤两再链蕊窭 现的现糠。缩米磁撩颗粒中的交挽偏鼍不同予传统体系中的交换偏置现魏。目前 普遍将熟归结为纳米颗粒表面界灏自旋的无序分布，并认为这种无序的自旋分布 隽表露爨旋瑗璃态。表露鲁旋玻璃态指翁寒级颗粒表瑟嚣魄子囊菠与颗粒液藩翡 电子自擒失去耦台，懋现的一种焉序的状态。程纳米颗粒中的寝面自旋玻滴层形 成的起源可能由于晶格的对称变换的破坏和表谳上的束缚破坏的存在，并且在双 交换樱鍪终霆辛产篷醚规整。表嚣酌嚣壤与黢粒中懿不露，孕鼗了矮羧表露黪鑫 旋无侉。很可能是袭灏自旋玻璃卷译致了纳米颗粒系统中的交换偏置效威。这一 现象在磁存储方面树根大的应用。谯国内就有很多人在研究交换偏置现裂，是在 趣有磁场静壤嚣下，笈现材辩戆嬲翌鏊线不器量关于零激缡麓对稔分露。 1 2 墩子自旋共搬 波谱学是磺究电鼹疆射与物鹱嘏互作震，用以测定分子、原予和核黔戆级结 褪，奄子囊旋共鼗怒磁莛摄滚谱学的一个分支。磁共薮与其德渡谱学摇戳，不弱 之处是把被研究的磁性物质放在憾定磁场( 几千戚上万高斯) 中，在磁性物质中 产生的能级分裂受外磁场控制。从躐察榉晶对射频戆量的吸收，可以探测携鼹兹 嬖凌。e s r 磅究熬瓣聚莛英毒不成黠毫子静骧予、势予或霾俸，铡蠡鲁盘鹫、三 藏裹王盟丈学理掌醺学位艳变 黧态分子、过渡金属离子、稀土离子以及阉体中某些周部晶格缺陷( f 心、v 心) 等具有不成对魄子的分子。对于浓度极低的不成对电子也不难用e s r 技术加以 稔溺。鼠e s r 波谱仅灏密鹃参数和记录，可敬耩确撼分析这些不簸对窀子薪楚 的位置及其能恣等信息。因此e s r 技术炬探索物质微观结构和运幼状态的重要 手段。电子自旋共振技术怒研究顺磁物质结构的有力工具，自t 9 9 4 年发现以来， 已程秘理学、纯学、生妨掌釉医学等领域串获褥目益广泛豹应嗣。溅着研究对象 的不同、样品特征的差异以及测量参数的不同，对所采用的实验方法和仪器特，征 也有相应的差别。 电子叁麓共振( e s 釉又# q 电子蹶磁共缀笾p r ) ，箕研究辩象是箕鸯朱稻电予熬 物质，如： 1 ) 奇数个电子的原子，妇氢原子 2 ) 邀子壳矮来被充满的离子，魏这渡族元素的离子 3 ) 具有奇数个电子的分子，如n 0 2 4 ) 菜些少数分子虽然不禽奇数个电予，毽其总兔动量不为零，始n 0 2 5 在反应遥程中或裙餍豳受辐射律掰产生的基壶藻 6 ) 固体缺陷中的f 中心溅v 中心，以及半导体和盒属 电子自旋煞振谱是以g 因子、精细缭孛句常数、超糖绷结掏分裂常数等来表征 的。 e s r 主要是研究塞曼能级在微波场作用下所产生的共振吸收。每个电子都 具曹固有自旋或自旋角动繁以及与之联系豹磁矩。当农亿合麴中电予是配对的对 候，因为取向棚反，其总蠢旋或磁矩为零。 1 3 朗道相变理论 l a n d a u 壤论是一令鏊予热学骧瑾豹难象理论，燕砖多秘平驽溪遴论戆统一 描述，可以用于阐述铁电相变、结构相嶷、磁相交甚黧超流和超导相变。当一个 系统从高对称相转变为低对称相时，系统的某个物理懋，将从高对称相中的零值 转变建鬣对称籀孛匏 零魏，这令物理爨藏是痔参鬟。 l a n d a u 瑷论就是通过弓l 进有序度参髓来表示有序程度，相变就鼹有序度参鬣 从不为零到为零或反过来的过程，一级相变有序度有突变，二级相交则是连续变化 熬a l a n d a u 鬻论采溺了套疆貔缀设，弱热秀学方法箍醺穗交。考虑铁磁一| 羲磁靛 笫l 晕靖诧 相变情况，l a n d a u 假设在维的情提下，自由能密度可以展开为磁化强縻的偶次 幂，煎楚对予萁恁一些螽薅。奄次器项对篷们黉富是攘薰要鹃。 = 级相变是指f 及f 对m 的一级导数在棚交点是连续的，而其二级母数在 相变点髓不连续的。这样，在相变点就没有体积的突变和潜热吸放；但怒比热、 歪臻率、磁捷辜等物理霪睫滠囊翡变纯惑蔑是璐疑迂或鬣蜂。 1 4 豳内外的研究现状 晕在6 0 年代，j ，c 。d a n n e r , 等人就对l i n b ( h ：m n 纂晶邀褥了e s r 实验麟究， 之螽，j 瑟。f f e r r i n g t o n 等久邀对l i n b 0 3 ：m n 攀释送行了e s r 实验臻究。穗 j 对 五组精细结构的e s r 谱进行了分析。从实验上测出了零场分嬲常数，并就遮五组 符会选择定则的糖缨结梅的e s r 跃迂进行7 讨论。在北篓趱懿基础上，理论 工 睾者对j 毙簸了许多理论分析。融8 在g ，对称下蕊啥密顿鬣袭示为： 疗西一+ 如2 蝣o ；+ 去( 醚噬+ 酲0 2 + k 3 酵) + s 西营+ j ( 卜1 ) t h + v c o m ，s h 。c h o h 等a ，塞丽重叠模型鼠瑷谂上揭示了麓n 9 塞子蛰健陆“ 比替代l i + 的可能性黑强，重叠模测的应用主鼹包含两部分；一部分是应用熏叠 模型分析零场分裂参数，其具体盼方法是，假设式( i - 1 ) 中的零场分裂鬻数酵线 ，一、4 性的袭示为：配= 军瓦k j 墨r j群诧，竹)，得出mn”在nb“位时比在li+位时，实s 验毖理论符合戆更好 舅一部分蹙，痊臻重鬟摸蹬转拆晶场参数，通过将器场晗 密镶量对焦纯，藏褥弼零殇劈裂参数，磊虽稳稍迩获实验土溺出了濑”豹箨磁场 能缴分裂为 ： q2 锄删- - 5 8 7 x l o 。咖_ 1 和 矗乏。；势- + 2 _ 2 8 9 警渤。 c z a l d o 和f a g u l l 6 一l 6 p e z 锌人用e x a f s 实验研究l i n b o 。：m n ”，分析得出 b a n 2 + 占据舱主要是l i + 幢。无论氍n ”替代的是乙i + 还是n b 5 + ，m n 2 + 一氧，面体熬垤对 m m 2 + 懿e s r 谱翡影酾都是一嚣懿，e s r 谱藐臻认麴筵替霞豹m n 离子翡羚态确实 是+ 2 价，这在晶体中就造成局部的电荷不平衡，但这种局部的电荷不平衡正是 l i n b 0 3 晶体优良的蹩拆变性能的擞滚。 北京工娥天学理学疆士学位论文 1 5 论文的研究方法和主要内容 本文鹃研究一共矜为两个部分，第一部分萋瑟莛研究l i n b 0 3 ：m n 豹电子舀 旋共振情况，第二部分主要是研究自发磁化交换偏置的朗道解释。 在第郝分里，主葵是用电子囊旋共振的方法来研究l i n b 0 3 ：m n 的一魑基 本情况。通过分拆l i n b 0 3 ：m n 豹波谱，褥出袭缀磁共振戆一骧蒺本鬻数，迸焉 得出m n 2 + 在l i n b 0 3 中的情况。 在第二部分里，生鼹是在朗遵棚变理论的基础上，通过程囊由能按磁化强度 酶幂级数艘开对添燕了磁纯强度酌衡次幂，露解释无磁场静情况下出现静镳麓! 现 象。对于熬些样品，在加有外磁场的情况下发现它的磁滞回线照对称分布，它所 对应昀无磁场的情况，可以用自由熊按照磁化强度的偶次幂缀数展开来解释，对 于菜些祥蕊，在黼有夕 磁场豹情捷下发现它静磁海疆线密现交换偏置现象，对予 这种样晶所对应的无磁场的情况，可以通过对自内能按磁化强殿的幂级数展开进 行适当的修正，即加入磁化强度黪鸯次项，就群释出现了这耱不对称。 第2 掌啦子鑫建共摄萋帮攘理 第2 章电子自旋共掇基本原理 旗予鑫旋磁矩受：缒= - g 。s ， 式中常数 黟薮叁鬟予兰 z 掰e 蜃电子自旋角动量 姘敷，电子磁矩与终疆螽糖茧捧蜀麴跨鬻顿羹表示兔；o = - a * 莹 著遮磁场在z 方向，则疗= g 。崩啜： 粼，鼹缀为e = g , f l h m , ， 魏= 爰s l ，s - 2 一s 共( 2 s + 1 ) 瑷 对予一个电子的情况：s = i 2 ，呢= 1 2 ，帜= - 1 2 分别对应两个囱旋态 l d ) ，l 芦 对| 萄态，其爨旋燕子数是= l ，2 ，对成的麓缀为瓦= 吾声辩 对i ) 态，其自旋最子数是帆m t 2 ，对成的能级为疋= 一昙岛斛 掰以，两蔻缀之阕熬笺量菱两矗姜i = g o p h 如果黉盥于疗另加频率为v 的射频场，当满足燕振条件： h v = 缱= 受多嚣霍一| ) 电子自旒就从射频炀l 毅收能量由低能级跃迁到瑚能级，产生电予自旋共振。 当s 1 时，满砖a 豫= + - l 的跃迁叫做正常跃迂，不满足谈条传鲍跃逶州徽蘩 戒跃迁。 2 1 电子自旋共振波谱的越精细结构 寒成薅奄子豫了受多 疆琵嚣的终廷之豁，还受囊诲多磁蝰棱戆雾蜒，逮狰未 成对电予与磁性梭间的作用就叫做超精细相互作用，用自旋晗密顿量表示为； 魏。= 程t 1 式枣瑾一窀予鸟棱麴藕台鬻数 j e 京工救大学理学碗士学德论文 蜃一电子的囱旋量子数 7 一磁性核的核自旋量予数 设原子核的核自旋是，它在外磁场中有m ，= ，卜- 1 ，- i + 1 ，- i 等2 + 1 个取 自，困建袋电子蠡旋瓣每一令戆缀分裘羹2 i + 1 拿次戆级，在满足选择定裂 胁，= 0 之问的能级发嫩跃迁，这样在原来的基础上就有了2 j 十l 条等距的电子自 旋共振吸收峰，通常称之为波谱的越精细结构，蔼这砦谱峰闻的间距就是所谓的超 精细势裂常数。 2 2 电平自旋共振波谱的精细结构即零场分裂 爨谗豹“零场分袈”就是捂在寒热步 磁场时，缝缓藏已经零| 起分裂，燕是这 种分裂使得e s r 谱中出现若干谱线，我们称之为精细结构谱绫。 顺磁离子置于固体中，则此顺磁离子与周围环境之间存在潜各种相互作用，例 熟磁镁擞子闻豹提量傍耀、暝磁蔫予与反磁邻i 凌蠢阕嚣接嗣 对于有多个未成对的电子体系，顺磁离子的磁偶极子闯的相互作用用嗡密顿 量表示为： h o = s + d + s ( 1 3 ) 式中玩引起零场分裂的原因，下标d 魑偶极的意总。 激食套鼹个未成对瞧予的体系必馕说明，墨= 蔓= ，剿总煞叁旋角韵量 s = s 十岛= 1 ，= l ，仉一l ，能级与的关系见图2 - l 中的( a ) 图，加上微波之后， 校据共掇祭转，嚣令歇迁( 。针。”0 ) 帮发燕在蕊2 嚣处，匿恧只露一条 谱线。但如果存在零场分裂，情形就不同了，见图2 1 中的( b ) 阁，在零场的时