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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李秀芳
研究生(外文):Hsiu-Fang Lee
論文名稱:金紅石結構雙氧化合物之壓縮研究
論文名稱(外文):Compression Studies of Rutile-Structure Dioxides
指導教授:黃怡禎黃怡禎引用關係余樹楨余樹楨引用關係
指導教授(外文):Eugene HuangShu-Cheng Yu
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:地球科學系碩博士班
學門:自然科學學門
學類:地球科學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:金紅石雙氧化合物體彈模量
外文關鍵詞:rutiledioxidebulk modulus
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本實驗藉鑽石高壓砧對五種金紅石結構之雙氧化合物,金紅石(Rutile, TiO2)、軟錳礦(Pyrolusite, MnO2)、錫石(Cassiterite, SnO2)、副黃碲礦(Paratellurite, TeO2)及塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2)粉晶進行常溫之壓縮研究。於常溫下以同步輻射為X光源進行能量分散繞射實驗來求得結構及晶格參數。
基本上金紅石結構之雙氧化合物中,TiO2、MnO2、SnO2及PbO2其a軸方向的壓縮量大於c軸方向的壓縮量,TeO2則a軸方向的壓縮量大致與c軸方向的壓縮量相同。
TiO2、MnO2及SnO2的解壓資料回到低壓的趨勢線上,因此屬於可逆的反應;而塊黑鉛礦解壓的資料則並未回到低壓的趨勢線上,因此屬於非可逆反應。
在高壓下則在7、6、5、2、0.5GPa左右分別有∂V/∂P不連續之現象。陽離子同屬於第四族的SnO2 及PbO2 相變的壓力值會隨著陽離子半徑的增加而變小。
金紅石結構雙氧化合物TiO2、MnO2、SnO2、TeO2及PbO2之體彈模量(Ko: bulk modulus)依序分別為250、240、224、110及90Gpa。本實驗發現整體聲速(bulk sound velocity)和平均原子量(mean atomic weight)間有線性關係存在,因此體彈模量可能具有系統系的趨勢存在。
在金紅石結構之雙氧化合物相變後的高壓相方面,TiO2、MnO2、SnO2、TeO2及PbO2依序分別為斜方晶系、單斜晶系、單斜晶系、單斜晶系及斜方晶系,另外TeO2高壓相單斜晶系又可以分成單斜晶系(I)及單斜晶系(II)。
Compression behaviors of five rutile-structure dioxides, TiO2 (Rutile), MnO2 (pyrolusite), SnO2 (cassiterite), TeO2 (paratellurite) and PbO2 (plattnerite) were studied in a piston-cylinder type diamond cell at room temperature. The energy dispersive method was used for the collection of the diffraction signals of the compressed sample using synchrotron radiation as an X-ray source.
Four dioxides (TiO2、MnO2、SnO2 and PbO2) show anisotropic compression along their crystallographic axes with a axis being more compressible than c axis. The compressibility of a axis is similar to that of c axis in TeO2.
A discontinuity in the compression data (i.e. the change in ∂V/∂P) for the five dioxides (TiO2, MnO2, SnO2, TeO2 and PbO2) was found to exist at 7, 6, 5, 2 and 0.5 GPa, respectively. This clearly indicates that a first-order phase transition has taken place in these dioxides. The pressure at which the phase transition occurs in rutile-type dioxides decreases with an increase in the radius of cation. The unloading data show that the phase transitions in TiO2, MnO2 and SnO2 are reversible while those of TeO2 and PbO2 are irreversible.
By fitting the compression data to the Birch-Murnaghan equation, the bulk modulus of TiO2, MnO2, SnO2, TeO2 and PbO2 of the rutile-type structure are determined to be 250, 240, 224,110 and 90 GPa, respectively. A linear relationship was found to exist between the bulk sound velocity and mean atomic weight of the rutile-type dioxides.
The post-rutile phase transformations of the five dioxides (TiO2、MnO2、SnO2、TeO2 and PbO2) were determined to be orthorhombic, monoclinic, monoclinic, monoclinic and orthorhombic, respectively. Two monoclinic phases of TeO2 were found, i.e., the monoclinic phase (I) and monoclinic phase (II).
目 錄
中 文 摘 要 I
ABSTRACT II
致 謝 III
目 錄 IV
表 目 錄 VII
圖 目 錄 VIII
第一章 前 言 1
1-1 緒論 1
1-2 研究動機與目的 2
第二章 前人研究 3
2-1 金紅石結構 3
2-2 金紅石群礦物簡介 5
2-2-1金紅石(Rutile, TiO2) 5
2-2-2軟錳礦(Pyrolusite, MnO2) 6
2-2-3錫石(Cassiterite, SnO2) 6
2-2-4 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2) 7
2-2-5塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2) 7
2-3 高壓性質 7
第三章 實驗方法與原理 10
3-1實驗樣品鑑定 10
3-1-1金紅石(Rutile, TiO2) 10
3-1-2軟錳礦(Pyrolusite, MnO2) 10
3-1-3錫石(Cassiterite, SnO2) 10
3-1-4 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2) 10
3-1-5塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2) 10
3-2高壓設備與原理 14
3-2-1鑽石高壓砧 14
3-3測量分析儀器與原理 16
3-3-1 X光繞射原理 16
3-3-2 能量分散分析法(Energy dispersion X-ray diffraction) 17
3-4 實驗操作條件 19
3-4-1 X光繞射實驗 19
3-4-2 同步輻射X光源 19
第四章 研究結果 21
4-1 常溫高壓X光繞射(EDXRD)分析結果 21
4-1-1金紅石(Rutile, TiO2) 21
4-1-2軟錳礦(Pyrolusite, MnO2) 28
4-1-3錫石(Cassiterite, SnO2) 33
4-1-4 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2) 36
4-1-5塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2) 45
第五章 討 論 53
5-1 相變壓力及高壓相晶體結構 53
5-1-1金紅石(Rutile, TiO2) 53
5-1-2 軟錳礦(Pyrolusite, MnO2) 56
5-1-3 錫石(Cassiterite, SnO2) 56
5-1-4 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2) 59
5-1-5 塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2) 62
5-2 綜合討論 68
第六章 結 論 73
參考文獻 75

表 目 錄
表4.1 金紅石(Rutile, TiO2)於不同壓力下之晶格參數、體積及壓縮量 25
表4.2 軟錳礦(Pyrolusite, MnO2)於不同壓力下之晶格參數、體積及壓縮量 30
表4.3 錫石(Cassiterite, SnO2)於不同壓力下之晶格參數、體積及壓縮量37
表4.4 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2)於不同壓力下之晶格參數、體積及壓縮量 43
表4.5 塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2)於不同壓力下之晶格參數、體積及壓縮量 50
表5.1 利用斜方晶系結構計算所得之高壓相金紅石之晶格參數值 54
表5.2 利用單斜晶系結構計算所得之高壓相軟錳礦之晶格參數值 57
表5.3 利用單斜晶系結構計算所得之高壓相錫石之晶格參數值 60
表5.4 利用單斜及斜方晶系結構計算所得之高壓相副黃碲礦之晶格參數值 63
表5.5 利用斜方晶系結構計算所得之高壓相塊黑鉛礦之晶格參數值 66
表5.6 金紅石結構礦物之各種資料 69
表5.7 金紅石結構礦物其低壓相的體彈模量、密度及整體聲速 71

圖 目 錄
圖2.1金紅石(Rutile, TiO2)結構( )之兩種表示法 4
圖3.1 金紅石(Rutile, TiO2)之拉曼光譜 11
圖3.2 軟錳礦(Pyrolusite, MnO2)之X光繞射光譜 11
圖3.3 錫石(Cassiterite, SnO2)之拉曼光譜 12
圖3.4 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2)之X光繞射光譜 12
圖3.5 塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2)之拉曼光譜 13
圖3.6 活塞套筒式鑽石高壓砧剖面圖 15
圖3.7 (a)鑽石高壓砧的操作原理(b)鑽石、夾套及樣品室的局部放大圖 15
圖3.8 EDXRD儀器裝置示意圖 18
圖3.9 同步輻射與電子運動的關係 20
圖4.1 金紅石(Rutile, TiO2)之EDXRD圖譜隨壓力變化之比較圖 22
圖4.2 金紅石(Rutile, TiO2)之d值與壓力之關係圖 23
圖4.3 金紅石(Rutile, TiO2) a軸壓縮量與壓力之關係圖 26
圖4.4 金紅石(Rutile, TiO2) c軸壓縮量與壓力之關係圖 26
圖4.5 金紅石(Rutile, TiO2) a、c軸及體積壓縮量與壓力之關係圖 27
圖4.6 金紅石(Rutile, TiO2)之體彈模量 27
圖4.7 軟錳礦(Pyrolusite, MnO2)之d值與壓力之關係圖 29
圖4.8 軟錳礦(Pyrolusite, MnO2) a軸壓縮量與壓力之關係圖 31
圖4.9 軟錳礦(Pyrolusite, MnO2) c軸壓縮量與壓力之關係圖 31
圖4.10 軟錳礦(Pyrolusite, MnO2) a、c軸及體積壓縮量與壓力之關係圖 32
圖4.11 軟錳礦(Pyrolusite, MnO2)之體彈模量 32
圖4.12 錫石(Cassiterite, SnO2)之EDXRD圖譜隨壓力變化之比較圖 34
圖4.13 錫石(Cassiterite, SnO2)之d值與壓力之關係圖 35
圖4.14 錫石(Cassiterite, SnO2) a軸壓縮量與壓力之關係圖 38
圖4.15 錫石(Cassiterite, SnO2) c軸壓縮量與壓力之關係圖 38
圖4.16 錫石(Cassiterite, SnO2) a、c軸及體積壓縮量與壓力之關係 39
圖4.17 錫石(Cassiterite, SnO2)之體彈模量 39
圖4.18 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2)之EDXRD圖譜隨壓力變化之比較圖 40
圖4.19 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2)之d值與壓力之關係圖 42
圖4.20 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2) a軸壓縮量與壓力之關係圖 44
圖4.21 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2) c軸壓縮量與壓力之關係圖 44
圖4.22 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2) a、c軸及體積壓縮量與壓力之關係圖 46
圖4.23 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2)之體彈模量 46
圖4.24 塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2)之EDXRD圖譜隨壓力變化之比較圖 47
圖4.25 塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2)之d值與壓力之關係圖 49
圖4.26 塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2) a軸壓縮量與壓力之關係圖 51
圖4.27 塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2) c軸壓縮量與壓力之關係圖 51
圖4.28 塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2) a、c軸及體積壓縮量與壓力之關係圖 52
圖4.29 塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2)之體彈模量 52
圖5.1 金紅石(Rutile, TiO2)低壓相與高壓相之體積比較圖 55
圖5.2 金紅石(Rutile, TiO2)低壓相與高壓相之體彈模量比較圖 55
圖5.3 軟錳礦(Pyrolusite, MnO2)低壓相與高壓相之體積比較圖 58
圖5.4 軟錳礦(Pyrolusite, MnO2)低壓相與高壓相之體彈模量比較圖 58
圖5.5 錫石(Cassiterite, SnO2)低壓相與高壓相之體積比較圖 61
圖5.6 錫石(Cassiterite, SnO2)低壓相與高壓相之體彈模量比較圖 61
圖5.7 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2)低壓相與高壓相之體積比較圖 64
圖5.8 副黃碲礦(Paratellurite, TeO2)低壓相與高壓相之體彈模量比較圖 64
圖5.9 塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2)低壓相與高壓相之體積比較圖 67
圖5.10 塊黑鉛礦(Plattnerite, PbO2)低壓相與高壓相之體彈模量比較圖 67
圖5.11 金紅石結構礦物其整體聲速與平均原子量關係圖 72
中文部份
毛河光院士成大論壇演講記錄,成大校刊,第192期,第40-42頁,2000年。
余樹楨,晶體之結構與性質,渤海堂文化事業有限公司,台北,共569頁,1987年。
李淑玲,二氧化鉛單晶之鑽石高壓砧壓縮研究,國立成功大學地球科學所碩士論文,共64頁,1992年。
李佩倫,BaSO4-PbSO4固溶系列之高溫高壓相變研究,國立成功大學地球科學所博士論文,共139頁,2000年。
黃怡禎譯,礦物學,地球科學文教基金會,台北,共689頁,2000年。
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英文部份
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