【摘要】：3d過(guò)渡金屬(如Mn,Fe,Co)等化合物,由于其存在未成對(duì)的3d電子,常表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性;同時(shí)由于3d軌道能級(jí)之間的能量差在可見(jiàn)光波段,對(duì)應(yīng)的電子躍遷引發(fā)相應(yīng)波段的光吸收、發(fā)射特性。這些特點(diǎn)賦予這種類(lèi)型化合物磁、光復(fù)合性能,從而使其在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自旋電子學(xué)和傳感等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)是研究3d過(guò)渡金屬化合物磁、光性質(zhì)的極佳條件。在低溫,特別是低至液氦的溫度下,熱漲落引發(fā)的電-聲子相互作用得到有效抑制,磁性相互作用將成為影響光學(xué)躍遷的主要因素。在外加強(qiáng)磁場(chǎng)下,反鐵磁或順磁態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁態(tài),相應(yīng)的光學(xué)躍遷將得到有效地調(diào)制。通過(guò)研究不同磁場(chǎng)下的熒光、吸收譜可以獲得磁相互作用與光學(xué)躍遷之間的相互影響規(guī)律。本論文研究了幾種過(guò)渡金屬化合物在低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)下的磁性、光譜性質(zhì)并觀測(cè)到一些新現(xiàn)象。具體工作如下:一、溫度和磁場(chǎng)對(duì)(CH_3NH_3)_2MnCl_4單晶光致發(fā)光的調(diào)制研究了層狀鈣鈦礦單晶(CH_3NH_3)_2MnCl_4的磁性和光發(fā)射特性。首先利用低溫光致發(fā)光和熒光壽命的測(cè)量,確定了(CH_3NH_3)_2MnCl_4單晶材料的發(fā)光機(jī)理:材料通過(guò)d-d躍遷吸收光子能量達(dá)到激發(fā)態(tài),激發(fā)態(tài)能量在鄰近的Mn離子之間傳遞,最終在缺陷態(tài)的Mn離子晶格發(fā)生輻射躍遷從而產(chǎn)生熒光。然后通過(guò)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下光致發(fā)光的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)外磁場(chǎng)對(duì)光致發(fā)光的調(diào)制具有各向異性特征。最后,通過(guò)磁化率和ESR的測(cè)量,驗(yàn)證了單晶材料在低溫下的面內(nèi)反鐵磁有序,從而證明反鐵磁相互作用對(duì)光學(xué)躍遷的調(diào)制作用。二、溫度和磁場(chǎng)對(duì)CsPbCl_3:Mn納米晶中激子-Mn離子能量傳遞過(guò)程的調(diào)制研究了CsPbCl_3:Mn納米晶的激子發(fā)光和Mn離子發(fā)光隨Mn離子濃度、溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律,探究了激子-Mn離子激發(fā)態(tài)能量傳遞機(jī)理。首先觀測(cè)到溫度從300 K降到60 K時(shí)能量傳遞過(guò)程被抑制,而在溫度小于60 K時(shí),能量傳遞過(guò)程又逐步增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)光譜參數(shù)如半峰寬、峰強(qiáng)以及峰位隨溫度變化的分析,發(fā)現(xiàn)熱漲落增強(qiáng)了高溫區(qū)域的能量傳遞過(guò)程。其次,通過(guò)磁化率和ESR的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)在低溫下,納米晶中形成了反鐵磁相互作用的Mn-Mn離子對(duì),引起了局域?qū)ΨQ(chēng)性結(jié)構(gòu)的破缺,從而使能量傳遞過(guò)程在低溫區(qū)域得到增強(qiáng)。最后,在強(qiáng)磁場(chǎng)下觀測(cè)到鐵磁態(tài)對(duì)能量傳遞過(guò)程的壓制,進(jìn)一步證明了反鐵磁相互作用對(duì)激子-Mn激發(fā)態(tài)能量傳遞過(guò)程的增強(qiáng)作用。三、溫度對(duì)Gd_3Ga_(5-x)Fe_xO_(12):Yb~(3+)/Er~(3+)納米晶上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光的調(diào)制研究了Fe離子摻雜Gd_3Ga_5O_(12):Yb~(3+)/Er~(3+)納米晶的上轉(zhuǎn)換熒光隨溫度的變化規(guī)律。首先通過(guò)不同F(xiàn)e離子濃度的納米晶的XRD和磁化率測(cè)量確定Fe離子取代Ga離子的晶格位置。其次,利用低溫光致發(fā)光譜研究了不同F(xiàn)e離子濃度納米晶上轉(zhuǎn)換熒光強(qiáng)度隨溫度的變化,揭示了Fe離子與Er離子的激發(fā)態(tài)能量傳遞過(guò)程有效地增強(qiáng)了納米晶在低溫下的熒光強(qiáng)度。最后,對(duì)該材料上轉(zhuǎn)換熒光的傳感性能進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明該類(lèi)材料在大范圍溫度區(qū)間(4.2 K-300 K)表現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)特性,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文在熱漲落的影響下，這些磁矩呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的排列。當(dāng)存在外加磁場(chǎng)時(shí)，這些磁矩沿著磁場(chǎng)方向排布，并且磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，，磁矩的排列越規(guī)則，這一特性被稱(chēng)為順磁性。順磁性材料的磁化方向與外磁場(chǎng)方向是一致的，因此這類(lèi)材料的磁化率大于零，但其數(shù)值很小。順磁性材料的磁化率與溫度有密切的關(guān)系。其中，一小部分材料的磁化率隨溫度的變化關(guān)系遵循居里定律，而大部分材料的磁化率-溫度關(guān)系服從居里-外斯定律。大多數(shù) 3d 過(guò)渡金屬化合物表現(xiàn)出順磁性。

論屬化合物的光學(xué)性質(zhì)大多取決于過(guò)渡金屬離子，對(duì)于過(guò)渡電子的光學(xué)躍遷的研究，晶體場(chǎng)理論是最直接且有效的方論是基于靜電理論，利用群論中的對(duì)稱(chēng)性理論以及量子力 d 軌道和稀土離子的 f 軌道的理論。它將化合物中的過(guò)渡中心，周?chē)泥徑碾x子視為配位體，忽略配位體軌道電純的點(diǎn)電荷。因此，中心離子與配位體之間的相互作用可間的相互作用。由于中心離子受到配位體的作用，離子的而是分裂成不同的軌道能級(jí)。相對(duì)于原來(lái)的簡(jiǎn)并軌道，有軌道能級(jí)降低了。非簡(jiǎn)并能級(jí)的高低以及個(gè)數(shù)取決于過(guò)渡所處的局域晶體場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性，而就是這種軌道能級(jí)分裂直接磁學(xué)性質(zhì)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：O482.31

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