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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃律翔
研究生(外文):Lu-Hsiang Huang
論文名稱:四丁基銨電化學插層鉀銠氧單晶之電磁傳輸研究
論文名稱(外文):Magnetotransport Properties of KxRhO2 Single Crystals with TBA Intercalation by Electrochemical method
指導教授:王立民王立民引用關係
指導教授(外文):Li-Min Wang
口試委員:黃斯衍李偉立
口試委員(外文):Ssu-Yen HuangWei-Li Lee
口試日期:2021-01-25
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:物理學研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2021
畢業學年度:109
語文別:中文
論文頁數:63
中文關鍵詞:助熔劑成長法鉀銠氧反鐵磁超交換作用電化學插層莫特相變拓樸霍爾效應
外文關鍵詞:flux growth methodKxRhO2antiferromagneticsuperexchangeelectro-chemical intercalationmott transitiontopological hall effect
DOI:10.6342/NTU202100359
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本研究以助熔劑成長法合成鉀銠氧單晶,使用能量色散光譜儀進行元素分析,成功合成出高品質樣品K0.58RhO2並研究其電磁傳輸特性。另一方面,透過X射線繞射儀量測其c軸晶格長度為12.25 Å。經過磁性的量測後,於低溫時觀察到隨磁場變大而飽和的磁矩,且重複施加正反方象磁場對樣品量測,並無發現磁滯現象。於是我們推論K0.58RhO2可能於低溫時生成反鐵磁對,對整體磁化強度作出貢獻,並引入超交換作用模型與Goodenough-Kanehori rules解釋其機制。分析磁化率的倒數與溫度的關係我們得到其居里-外斯(Curie-Weiss)溫度θ為2.68 K。
此外我們使用電化學方法將K0.58RhO2樣品進行插層(intercalation)反應,透過氧化還原反應將四丁基銨(TBA)分子還原並插入層銠氧層間,最後再透過XRD以及EDS確認其成分比例為K0.58(TBA)0.9RhO2。
本研究將樣品進行一系列的霍爾及電性量測,由電阻率與溫度的次方關係,發現鉀銠氧於低溫時展現費米液體的特性,並於轉換溫度(T*)以上轉換為1.5次方關係,也就是所謂的Fermi Liquid state與vibronic state混和態。我們將過去實驗室曾經合成過的鉀銠氧單晶經過比較後,發現隨著鉀含量的增加或是TBA插層之後,其c軸晶格常數越小,T*也越高,這部分的結論與莫特相變的理論原理互相吻合。
RhO2層的結構上看似三角平面,其中卻隱藏著Kagome晶格,由理論計算的結果可知道霍爾係數將於高溫時與溫度成正比的關係,此線性關係與本次實驗的樣品於高溫時(> 220 K)的結果互相吻合,同時也由霍爾係數得知此材料之主要傳輸載子為電洞。另一方面,計算磁阻後觀察到隨著鉀的參雜越多,材料開始出現零磁阻的特徵。最後,我們也透過拓樸霍爾效應的計算求得樣品的拓樸霍爾電阻率並觀察到其隨磁場的變化趨勢。
We grow the single crystal of KxRhO2 with the flux growth method and analyzed the composition of the elements with the Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). We successfully synthesized high quality K0.58RhO2 single crystals and investigated the magnetotransport properties of them. The c-axis of the sample was characterized to be 12.25 Å. In the magnetic measurement, we found that the magnetization would saturate with the increasing magnetic field at the low temperature, while the hysteresis curve was not observed in this case. It is inferred that the saturation magnetization is caused by the existence of antiferromagnetic pairs, and the mechanism is related to superexchange and Goodenough-Kanehori rules. Through the relation between the reciprocal of susceptibility and the Curie-Weiss temperatureθof 2.68 K for K0.58RhO2 has been obtained.
After that, the tetra-butyl-ammonium (TBA) molecules were intercalated via the electrochemical method into the sample. By the redox reactions, reduced TBA molecules were placed it between the RhO2 layers, and it was confirmed that its composition was K0.58(TBA)0.9RhO2 by using XRD and EDS.
In Hall effect and electrical measurement, we have found that the KxRhO2 has properties similar to Fermi liquid (FL), and the resistivity of KxRhO2 will transform the T2 dependent behavior into T1.5 dependence, so-called the mixed state of FL state and vibronic state, when the temperature is higher than the transition temperature T*. Compare the case of KxRhO2 samples formerly synthesized, we find that the c-axis will decrease, being accompanied with an increased T* for samples with higher potassium proportion as well as TBA intercalation. The result is explainable with the Mott-Hubbard transition.
It’s known that there is a triangular structure existing in the RhO2 plane, and which will reveal the so-called Kagome lattices. According to the theoretical calculation, thus the Hall coefficient RH of KxRhO2 is predicted to be proportional to temperature at high temperatures. This kind of linear relation of RH(T) was observed on K0.58RhO2 single crystals at T > 220 K. The obtained the positive Hall coefficient, indicated that the dominant carriers are the hole-type in K0.58RhO2. On the other hand, when the proportion of potassium x in samples is enhanced, the magnetoresistance tends to disappear. Finally, we have calculated the topological hall resistivity and obtain the trends in the variant magnetic fields.
口試委員會審定書 i
致謝 ii
中文摘要 iv
ABSTRACT v
CONTENTS vii
LIST OF FIGURES x
LIST OF TABLES xiii
Chapter 1 序論 1
1.1 文獻回顧 1
1.1.1 NaxCoO2與KxRhO2 1
1.1.2 K0.5RhO2非共平面磁矩 2
1.1.3 K0.42RhO2、K0.52RhO2 之電阻率與霍爾效應 3
1.1.4 LNMCO 之隨溫度或磁場的磁化強度飽和 4
1.1.5 鐵硒的電化學插層 4
1.2 研究動機 5
Chapter 2 原理與背景介紹 7
2.1 磁性介紹 7
2.1.1 鐵磁性 (Ferromagnetism) 7
2.1.2 反鐵磁性 (Antiferromagnetism) 8
2.1.3 亞鐵磁性 (Ferrimagnetism) 8
2.1.4 順磁性 (Paramagnetism) 9
2.1.5 抗磁性 (Diamagnetism) 9
2.2 霍爾效應(Hall effect) 10
2.2.1 正常霍爾效應(Ordinary Hall effect) 10
2.2.2 異常霍爾效應 (Anomalous Hall effect) 11
2.2.3 Berry Phase 與拓樸霍爾效應 (Topological Hall effect) 13
2.3 超交換作用 14
2.3.1 超交換作用 14
2.4 電阻率與溫度次方關係 15
2.4.1 莫特絕緣體 15
2.4.2 莫特相變 15
Chapter 3 實驗方法 20
3.1 實驗流程 20
3.2 KxRhO2單晶樣品合成 21
3.2.1 製作KxRhO2單晶樣品 21
3.3 電化學法對KxRhO2單晶插層四丁基銨 22
3.4 KxRhO2單晶樣品層間距離之改變 24
3.5 量測與分析 26
3.5.1 晶體結構 26
3.5.2 元素分析 28
3.6 SQUID 系統 31
Chapter 4 結果與討論 33
4.1 樣品結構 33
4.1.1 K0.58RhO2樣品 33
4.1.2 K0.58RhO2插層TBA樣品 34
4.2 磁性 36
4.2.1 磁化強度與磁場 36
4.2.2 磁化強度與溫度 39
4.3 電磁傳輸特性 42
4.3.1 電阻率與溫度 42
4.3.2 RH與溫度 47
4.3.3 載子濃度與溫度 52
4.3.4 載子遷移率與溫度 53
4.3.5 ρxy與磁場 54
4.3.6 磁阻(MR)與磁場關係 58
4.4 拓樸霍爾效應分析 59
Chapter 5 結論 61
REFERENCE 62



LIST OF FIGURES
圖 1 1. K0.49RhO2的晶體結構示意圖[2] 2
圖 1 2. K0.5RhO2的晶體Rh之非共面磁矩結構[4] 3
圖 1 3. 四個銠原子磁矩展開的Berry Phase[4] 3
圖 1 4. FeSe 電化學方法插層TBA之前後結構示意圖[9] 5
圖 1 5. TBA有機分子結構與鐵硒插層後FTIR[9] 5
圖 2 1. 鐵磁性磁矩示意圖 8
圖 2 2. 鐵磁性磁矩示意圖 9
圖 2 3. 霍爾效應示意圖 11
圖 2 4. Skew Scattering 與Side Jump示意圖[19] 12
圖 2 5. 向量物件沿球面做封閉路徑運動[20] 13
圖 2 6. MnO2 超交換作用示意圖 14
圖 2 7. Mott-Hubbard transition能帶結構圖[27] 16
圖 2 8. 一維鉀原子模型之Mott-Hubbard Transition示意圖 17
圖 2 9. Locally Cooperative Bond-length Fluctuation 示意圖 17
圖 2 10. 莫特相變過程之能帶關係 (a) FL state (b) FL state與vibronic state 共存 (c)vibronic state(d)Mott insulator state[28] 18
圖 3 1. 實驗流程圖 20
圖 3 2. KxRhO2合成條件 21
圖 3 3. K0.58RhO2 片狀單晶樣品照片 22
圖 3 4. 電化學方法示意圖 23
圖 3 5. 電化學插層實驗照 24
圖 3 6. NaxCoO2結構[1] 26
圖 3 7. KxRhO2結構XRD, x = 0.25, 0.39, 0.50, 0.60, 0.70 [29] 26
圖 3 8. 樣品K0.58RhO2 與K0.42RhO2 、K0.52RhO2 [3] 之XRD 27
圖 3 9. K0.58hO2 Element Mapping 29
圖 3 10. K0.58RhO2 Element Mapping K / Rh / O 29
圖 3 11. K0.58RhO2 SEM 下觀察六角形層狀堆疊晶體照片 30
圖 3 12. 超導量子干涉磁量儀(MPMS2 & MPMS3) 31
圖 3 13. 四點量測示意圖 32
圖 4 1. 樣品K0.58RhO2 之XRD結果 33
圖 4 2. KxRhO2 c軸晶格常數與x關係 34
圖 4 3. 樣品K0.58RhO2 TBA插層前後XRD 35
圖 4 4. 樣品K0.58RhO2 TBA插層前後XRD (008) peak 35
圖 4 5. 樣品K0.58RhO2在5K、10K、20K磁化強度與磁場關係 36
圖 4 6. LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 各溫度下的M-H 關係[6] 37
圖 4 7. 樣品K0.58RhO2 5K、10K推論反鐵磁提供的磁化強度與磁場關係 38
圖 4 8. 樣品K0.58RhO2 與插層TBA後之 5 K、10 K、20 K磁化強度與磁場關係 39
圖 4 9. 樣品K0.58RhO2在外加磁場 5000 Oe時的磁化強度與溫度關係 40
圖 4 10. 樣品K0.58RhO2在外加磁場 5000 Oe時的1/χ與溫度關係 41
圖 4 11. KxRhO2單晶x = 0.42、0.52、0.58樣品之電阻率與溫度關係圖 43
圖 4 12. K0.58RhO2電阻率與溫度1.5次方關係圖 44
圖 4 13. K0.58RhO2電阻率與溫度2次方關係圖 44
圖 4 14. KxRhO2不同K比例之T* 與c軸晶格常數關係 46
圖 4 15. K0.58RhO2插層前後之電阻率與溫度關係 47
圖 4 16. K0.52RhO2 RH與溫度關係圖[3] 48
圖 4 17. K0.42RhO2 RH與溫度關係圖[3] 49
圖 4 18. K0.58RhO2 RH與溫度關係圖 49
圖 4 19. 隱藏於Triangular Structure的Kagome Lattice結構 (a) CoO6八面體 (b)CoO2層三角形結構 (c)以Kagome Lattice結構計算霍爾係數之路徑[31] 50
圖 4 20. Kagome lattice 與 triangular lattice之RH與溫度關係[31] 51
圖 4 21. K0.58RhO2 + TBA RH與溫度關係圖 52
圖 4 22. K0.58RhO2 載子濃度與溫度關係圖 53
圖 4 23. KxRhO2 x = 0.42、0.52、0.58 載子遷移率與溫度關係圖 54
圖 4 24. 樣品K0.58RhO2之霍爾電阻率在不同溫度下隨外加磁場之關係圖 55
圖 4 25. K0.42RhO2之霍爾電阻率在不同溫度下隨外加磁場之關係[3] 55
圖 4 26. K0.49RhO2之霍爾電阻率在不同溫度下隨外加磁場之關係圖[2] 56
圖 4 27. 樣品K0.58RhO2由圖4-24反推斜率計算出的霍爾係數與溫度關係 57
圖 4 28. 樣品K0.58RhO2 TBA插層後ρxy在不同溫度下隨外加磁場之關係圖 57
圖 4 29. KxRhO2 x = 0.42、0.52、0.58溫度為50K之磁阻與磁場關係 58
圖 4 30. 樣品K0.58RhO2溫度於5 K / 10 K之拓樸霍爾電阻率與磁場關係 60

LIST OF TABLES
表格 1. 鉀銠氧單晶之c軸晶格常數比較 25
表格 2. K0.58RhO2 EDS元素分析表 28
表格 3. 樣品列表 42
表格 4. 樣品電阻率與T*列表 45
表格 5. KxRhO2 x = 0.42、0.49[2]、0.52、0.58 dRH/dT 51
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