【摘要】：3d過渡金屬(如Mn,Fe,Co)等化合物,由于其存在未成對的3d電子,常表現(xiàn)出很強的磁性;同時由于3d軌道能級之間的能量差在可見光波段,對應的電子躍遷引發(fā)相應波段的光吸收、發(fā)射特性。這些特點賦予這種類型化合物磁、光復合性能,從而使其在數(shù)據(jù)存儲、自旋電子學和傳感等方面具有重要的應用價值。低溫和強磁場是研究3d過渡金屬化合物磁、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躍遷的主要因素。在外加強磁場下,反鐵磁或順磁態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁態(tài),相應的光學躍遷將得到有效地調(diào)制。通過研究不同磁場下的熒光、吸收譜可以獲得磁相互作用與光學躍遷之間的相互影響規(guī)律。本論文研究了幾種過渡金屬化合物在低溫和強磁場下的磁性、光譜性質(zhì)并觀測到一些新現(xiàn)象。具體工作如下:一、溫度和磁場對(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)光和熒光壽命的測量,確定了(CH_3NH_3)_2MnCl_4單晶材料的發(fā)光機理:材料通過d-d躍遷吸收光子能量達到激發(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。然后通過脈沖強磁場下光致發(fā)光的測量,發(fā)現(xiàn)外磁場對光致發(fā)光的調(diào)制具有各向異性特征。最后,通過磁化率和ESR的測量,驗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光學躍遷的調(diào)制作用。二、溫度和磁場對CsPbCl_3:Mn納米晶中激子-Mn離子能量傳遞過程的調(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、溫度和磁場強度的變化規(guī)律,探究了激子-Mn離子激發(fā)態(tài)能量傳遞機理。首先觀測到溫度從300 K降到60 K時能量傳遞過程被抑制,而在溫度小于60 K時,能量傳遞過程又逐步增強的實驗現(xiàn)象。通過對光譜參數(shù)如半峰寬、峰強以及峰位隨溫度變化的分析,發(fā)現(xiàn)熱漲落增強了高溫區(qū)域的能量傳遞過程。其次,通過磁化率和ESR的測量,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,引起了局域?qū)ΨQ性結(jié)構(gòu)的破缺,從而使能量傳遞過程在低溫區(qū)域得到增強。最后,在強磁場下觀測到鐵磁態(tài)對能量傳遞過程的壓制,進一步證明了反鐵磁相互作用對激子-Mn激發(fā)態(tài)能量傳遞過程的增強作用。三、溫度對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。首先通過不同F(xiàn)e離子濃度的納米晶的XRD和磁化率測量確定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)能量傳遞過程有效地增強了納米晶在低溫下的熒光強度。最后,對該材料上轉(zhuǎn)換熒光的傳感性能進行評估,結(jié)果表明該類材料在大范圍溫度區(qū)間(4.2 K-300 K)表現(xiàn)出優(yōu)異的響應特性,具有一定的應用價值。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文在熱漲落的影響下，這些磁矩呈現(xiàn)無規(guī)則的排列。當存在外加磁場時，這些磁矩沿著磁場方向排布，并且磁場強度越大，，磁矩的排列越規(guī)則，這一特性被稱為順磁性。順磁性材料的磁化方向與外磁場方向是一致的，因此這類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 過渡金屬化合物表現(xiàn)出順磁性。

論屬化合物的光學性質(zhì)大多取決于過渡金屬離子，對于過渡電子的光學躍遷的研究，晶體場理論是最直接且有效的方論是基于靜電理論，利用群論中的對稱性理論以及量子力 d 軌道和稀土離子的 f 軌道的理論。它將化合物中的過渡中心，周圍的鄰近的離子視為配位體，忽略配位體軌道電純的點電荷。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。相對于原來的簡并軌道，有軌道能級降低了。非簡并能級的高低以及個數(shù)取決于過渡所處的局域晶體場對稱性，而就是這種軌道能級分裂直接磁學性質(zhì)。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O482.31

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