第9卷第4期 2008年8月 北华大学学报(自然科学版) JOURNAL OF BEIHUA UNIVERSITY(Natural Science) Vo1.9 NO.4 Aug.2008 文章编号:1009-4822(2008)04-0299-05 MO2(M=Ti,Ge,Sn)晶体中 替位V4+自旋哈密顿参量研究 林季资,肖 沛 (江苏科技大学基础部,江苏张家港215600) 摘要:基于离子簇模型,应用斜方畸变八面体中3d 电子的EPR参量微扰公式,研究了MO (M=Ti,Ge,Sn)晶体 (金红石型)中替位V 的EPR参量,发现由于V 取代晶体中阳离子而引起的姜泰勒(Jahn—Teller)效应,将导 致杂质离子局部结构形成微小压缩八面体.进一步考虑了配体轨道及旋轨耦合作用和杂质离子周围的畸变对自 旋哈密顿参量的贡献,结果与实验符合的更好. 关键词:电子顺磁共振;自旋哈密顿;V“;MO (M=Ti,Ge,Sn) 中图分类号:0737 文献标识码:A On Spin Hamiltonian Parameters for the Substitutional v4+Centers in the Rutile.type Hosts Mo2(M=Ti,Ge,Sn) LIN Ji—zi,XIAO Pei (Basic Courses Department,Jiangsu University ofScience and Technology,Zhangjiagang 215600,China) Abstract:The electron paramagnetic resonance(EPR)parameters and the hyperfine structure constants Ai for hte substitutional V¨centers in the rutile—type hosts MO2(M=Ti,Ge,Sn)aye investigated by using the perturbation formulas for a 3d ion in distorted octahedral,based on the cluster approach.The local distortion results in the less compressed ligand octahedron because of the Jahn—Teller effect arising from occupation of the impurity V“at the substitutional siteThe theoretical EPR parameters based on the local structural parameters of .hits work aye in better agreement wih tthe experimental data than those of the previous studies in the absence of he local distortiton and the ligand orbital contributions. Key words:Electron paramagnetic resonance;Spin Hamihonians;V“;MO2(M=Ti,Ge,Sn) 晶体中掺杂过渡金属离子一直以来都是人们研究的热点,如Gerritsen等人对TiO 掺杂金属离子 V“,Ni“,crj 的EPR行为进行广泛研究¨“ ;Kasai测得了掺V 多晶SnO,的电子顺磁共振谱 ; ,前人大多采用简单的二阶微扰公式,而 Kikuchi等测得了单晶SnO 中V 中心的EPR谱。。 ;1973年,Madacsi等人在实验室里测得单晶GeO,中 V 中心的EPR谱 .然而对EPR谱的理论解释则相对较少 忽略配体轨道和旋轨耦合的贡献,将晶体中V 的径向波函数平均值(r )和(r ),以及旋轨耦合系数、轨 道混合系数等作为调节参量,未将自旋哈密顿参量与杂质离子周围的局部结构相联系,也没有给出A因 收稿日期:2008-04-28 作者简介:林季资(1981一),男,助教,硕士,主要从事晶体中过渡离子光谱和EPR谱理论研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 300 北华大学学报(自然科学版) 第9卷 子的理论解释.为了克服上述不足,本文基于离子簇模型,采用包含配体轨道及旋轨耦合贡献的自旋哈密 顿参量微扰公式,合理考虑杂质离子厨围的畸变,对自旋哈密顿参量进行定量分析. 1 理论计算 杂质V 在MO 晶体中取代母体阳离子,占据阳离子位置被六个氧离子包围,形成配体八面体,其结 构参数(平面键角 ,键长)见表1. 表1 TiO2,Geo2,SnO2晶体结构参数 圳 Tab。1 Lattice parameter for the Tio2,GeO2,SnO2 V 离子在斜方畸变压缩八面体中,d轨道五重简并将完全解除,此时I 一y2)为基态 .斜方畸变 八面体中包含配体轨道及旋轨耦合贡献的超精细结构常数A因子公式: po[ )+2丁N2+ ]' = 【…学+ 】' [- K,)-竽+(g; )+ + 】' 其中,,c,,c 分别为芯区极化常数的各向同性和异性部分… ,Po是3d 自由离子的偶极超精细结构常数, 0.017 2 cm一 [11]. 斜方畸变八面体中包含配体轨道及旋轨耦合贡献的自旋哈密顿参量g因子三阶微扰公式 : (壶一壶) ( 1一 ), (壶一壶) ( 1一壶), 一 一专 ( + ) +警, 能量分母E ,E:,E,表示激发态 B , B, , A 与基态 B 间的能级分裂: EI=3D 一5D +3Df一4D , E2:3D,一5D 一3D +4D , E3=10Dg, 其中,D 为立方场参量,D ,D ,Df,D 为斜方场参量,有: Dq=一 eq(r4)1/R'z3—・,,。 =2eg r) 1/R' ̄ 7 。 ’ 4 7cos2 0 + 3 叫(r4) De=2叼(r ) cos0,。 :5叼(r4)研cos0, g(:一2e)是氧配体的有效电荷.根据中心离子和配体的共价性或中心离子和配体轨道混合,晶场中3d 轨道的径向波函数期望值(rn)( =2,4)可南自由离子期望值与平均共价因子N的乘积表示n3 : 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 林季资,等:MO (M=Ti,Ge,Sn)晶体中替位V”自旋哈密顿参量研究 301 (/2) 3.322 2N(a.u.), (r4) 21.069 8N(a.u.). 晶体中金属一配体平均键长 : [14 列于表2中.V +进人晶体后取代金属阳离子占据其位, 由于Jahn—Teller效应,杂质.配体键长 ,,, ,平面键角0与母体时相比将发生变化,杂质一配体键长将伸 长或缩收,导致局部环境改变,使得中心杂质V 离子受其影响n .杂质一配体键长可用参量P和平均键 长 : 尝来表示,键角 可用0o和畸变角A0来表示: R(1—2p), —R(1+P),0 0o+A0. 由平均键长 和Slater型SCF波函数n .19],可得重叠积分(见表2). 表2平均键长及重叠积分 Tab.2 Average metal-ligand bonding lengths and group overlap integrals 自由离子V 的旋轨耦合系数 248em ” ,自由离子氧的旋轨耦合系数 151em B ,相应的 系数 , ,A ,A。,A 和旋轨耦合系数 , ,,c,,c 的计算公式由文献[13]给出,计算所得值见表3.在超精 细结构常数计算公式里,各向同性芯区极化常数,c 0.305[加。. 2讨 论 从表5可以看出本工作采用三阶微扰同时考虑局部晶格畸变和配体轨道及配体旋轨耦合贡献,给出 了V 离子在晶体中的自旋哈密顿参量(g因子,A因子)合理的理论解释,同时比采用其他方法所得结果 要好(见表5).这说明本工作所采用的计算公式和相关参量是合理的. (1)从表4可以看出,当V 进入晶体后,由于Jahn Teller效应,使得母体阳离子周围六个氧配体组 成的伸长八面体(见表4)变为略微压缩的八面体,这与V 离子在其他氧化物中很类似.例如,四角相的 SrTiO,中,母体[TiO ] 八面体为轻微伸长,而当V 取代Ti 后,研究发现[VO ] 变为压缩八面体[2 . 对于平均共价因子Ⅳ,有1>N 。,>NTI。,>N 。,,这与平均键长(见表2)的变化相对应,且由于Ⅳ比1小得 较多,说明体系具有较强的共价性.从表3中还可发现金属与配体轨道间有很强的混合(即混合系数A , A ,A 等都较大),这也体现了体系明显的共价性. 表3归一化系数、轨道混合系数、旋轨耦合系数、轨道缩小因子 Tab.3 The normalization factors,the mixing coefifcients,the spin—orbit coupling coefifcients and the orbital reduction factors 维普资讯 http://www.cqvip.com 北华大学学报(自然科学版) 第9卷 表5各晶体中替位、,4 离子的自旋哈密顿参量值 Tab.5 The spin Hamiltonian parameters for the substitutional、,4 centers Cal母体:表示在考虑配体贡献中(cal“)回复到母体参数(即采用母体结构参数进行计算); Cal‘:不考虑配体贡献但考虑局部晶格畸变; Cat :考虑配体和晶格畸变; Expt :实验值 . 注:文献[22]并没有给出超精细结构常数的符号,本工作分析表明其值应为负,单位为10“cm (2)本工作计算了考虑晶体局部结构畸变但是忽略配体轨道及旋轨耦合贡献的情形(表5中的 Cal。),其结果较考虑配体贡献时(表5中的Cal )差,即都明显小于实验值,尤其 ,g .这是由于忽略配体 会导致体系有较大的d轨道旋轨耦合系数(从表3中 > 可得),这样在g 和g 微扰计算公式中令 = 将使 和 因子变小. (3)本工作通过自旋哈密顿参量三阶微扰公式,但不考虑局部晶格畸变(即采用母体结构数据),计算 了g因子,发现其比考虑晶格畸变时的结果(表5中的Cal )要差很多,尤其g 更是大于g。(一2.002 3). 对于母体时伸长八面体,其基态已不是这里的I 一Y >,而是Ixz>(或I yz>).分析计算表明,即使采用重新 调整的相关参量,也无法得到与实验相符合的理论结果.因此,对自旋哈密顿参量的研究中,由于V 的 3d 体系Jahn—Teller效应引起的局部结构相对于母体时的改变应当予以考虑. (4)前人的EPR实验 圳并未给出超精细结构常数的符号.本工作的计算表明其值应为负.这点与由 许多八面体v4 (或VO¨)氧化物团簇的实验所观测的负的超精细结构常数相一致,同时也说明了本文结 果的合理性. 3 结论 本文在离子簇模型基础上引入了配体轨道和旋轨耦合作用的贡献,满意地解释了MO:(M=Ti,Sn, Ge)中替位V 离子的EPR实验结果,所得理论值与实验符合很好.研究发现,由于V 取代晶体中阳离 子而引起姜泰勒效应,将导致杂质离子局部结构畸变,因此,对自旋哈密顿参量的研究中应当予以考虑. 参考文献: [1]Gerritsen H J,Harrison S E,Lewis H R,et a1.Fine Structure,Hyperifne Stureture,and Relaxation Times of Cr3 in TiO (Rutile)[J].Physical Review eLtters,1959,2(4):153—155. [2]Gerritsen H J,Harrison S E,Lewis H R.Chromium—Doped Titania as a Maser Material[J].Journal of Applied Physics,1960,31 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 林季资,等:MO (M=Ti,Ge,Sn)晶体中替位V 自旋哈密顿参量研究 303 (9):1566—1571. [3]Gerritsen H J,Lewis H R.Paramagnetic Resonmme of V“in TiO2[J].Physical Review,1960,119(3):1010-1012. 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