[論文レビュー] The symmetry and light stuffing of Ho2Ti2O7, Er2Ti2O7 and Yb2Ti2O7 characterized by synchrotron X-ray diffraction

Kristen Baroudi, B. D. Gaulin+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2015

Nuclear materials and radiation effects被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、高感度な同期放射線X線回折を用いて、Ho2Ti2O7、Er2Ti2O7、Yb2Ti2O7のペロブスカイト構造の構造対称性および軽い陽イオンの充填を調査した。以前の中性子散乱で観察された(002)ピークが検出されなかったことから、材料の構造はFd-3m空間群のままであり、中性子ピークは磁気的または動的な要因といった非構造的起源に起因すると結論された。

ABSTRACT

The Ho2Ti2O7, Er2Ti2O7 and Yb2Ti2O7 pyrochlores were studied by synchrotron X-ray diffraction to determine whether the (002) peak, forbidden in the pyrochlore space group Fd-3m but observed in single crystal neutron scattering measurements, is present due to a deviation of their pyrochlore structure from Fd-3m symmetry. Synchrotron diffraction measurements on precisely synthesized stoichiometric and non-stoichiometric powders and a crushed floating zone crystal of Ho2Ti2O7 revealed that the (002) reflection is absent in all cases to a sensitivity of approximately one part in 30,000 of the strongest X-ray diffraction peak. This indicates to high sensitivity that the structural space group of these rare earth titanate pyrochlores is Fd-3m, and that thus the (002) peak observed in the neutron scattering experiments has a non-structural origin. The cell parameters and internal strain for lightly stuffed Ho2+xTi2-xO7 are also presented.

研究の動機と目的

• Ho2Ti2O7、Er2Ti2O7、Yb2Ti2O7における中性子散乱実験で観察された(002)ピークが、ペロブスカイトのFd-3m空間群からの構造的逸脱に起因するかどうかを特定すること。
• Ho2+xTi2−xO7における軽い陽イオンの充填が、格子定数および内部応力に与える影響を調査すること。
• 理想状態のFd-3m対称性では禁じられているが、実験的に中性子回折で観察された(002)ピークの起源について長年の曖昧さを解消すること。
• 同期放射線を用いて、化学计量比および非化学计量比の希土類チタン酸塩ペロブスカイトの高精度な構造的特徴を明らかにすること。

提案手法

• Ho2Ti2O7、Er2Ti2O7、Yb2Ti2O7の化学计量比および非化学计量比の粉末に対して、同期放射線X線回折を実施した。
• テクスチャーや応力の影響を最小限に抑えるために、粉砕した単結晶Ho2Ti2O7を分析した。
• 弱い禁じ反射を検出可能な感度（最も強いピークの約1/30,000）で、高分解能の回折パターンを収集した。
• リエーティルド精査を用いて、格子定数、原子座標、サイト占有度を抽出した。
• (002)反射の有無を高い統計的信頼性で評価した。
• 軽度に充填されたHo2+xTi2−xO7固溶体の細胞定数および内部応力を定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ho2Ti2O7、Er2Ti2O7、Yb2Ti2O7における中性子散乱実験で観察された(002)ピークが、Fd-3m空間群からの構造的逸脱に起因するか？
• RQ2 これらのペロブスカイトの化学计量比および非化学计量比試料において、高感度な同期放射線X線回折で(002)反射が検出可能か？
• RQ3 Ho2+xTi2−xO7における軽い陽イオンの充填が、Ho2Ti2O7の格子定数および内部応力に与える影響は何か？
• RQ4 高分解能X線回折下におけるHo2Ti2O7、Er2Ti2O7、Yb2Ti2O7の正確な構造的対称性は何か？
• RQ5 中性子データにおける(002)ピークが、対称性破壊の歪みではなく、動的・磁気的・その他の非定常的構造的効果に起因する可能性は何か？

主な発見

• Ho2Ti2O7、Er2Ti2O7、Yb2Ti2O7のすべての同期放射線X線回折測定において、最も強いピークの約1/30,000の感度で(002)反射が検出されなかった。
• この欠如は、これらのペロブスカイトの結晶構造がFd-3m空間群のままであり、(002)反射を引き起こす顕著な逸脱が存在しないことを強く支持する。
• Ho2+xTi2−xO7固溶体の細胞定数は正確に測定され、xの増加に伴い体系的な変化が示された。
• 軽度に充填されたHo2+xTi2−xO7における内部応力が定量され、ドーピングに伴う構造的緩和が示された。
• 中性子散乱実験で観察された(002)ピークは、静的な構造的歪みや対称性の破壊に起因しない。
• したがって、中性子データにおける(002)ピークの非構造的起源が強く示唆され、磁気的または動的効果がその主な原因であると考えられる。