[論文レビュー] Two step solid state synthesis and Synchrotron X-ray characterizations of ceramic Co3TeO6; an improper multiferroic

Harishchandra Singh, Adrija Sinha+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2015

Chalcogenide Semiconductor Thin Films参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Co3O4とTeO2を用いた二段階固体状態合成法により、不純相を含まない相純粋なCo3TeO6（CTO）を合成する手法を提示する。高分解能シンクロトロンX線回折およびXANES/XPES分析により、混合されたCo²⁺/Co³⁺状態とTe⁶⁺が確認され、酸化状態の不釣り合いはTe欠陥によって補償されており、従来の合成法と比較して多フェロイック特性が向上していることが示された。

ABSTRACT

A two step solid state reaction route has been presented to synthesize monophasic cobalt tellurate (Co3TeO6, CTO) using Co3O4 and TeO2 as starting reagents. During synthesis, initial ingredient Co3O4 is found better than CoO in circumventing the intermediate Co5TeO8 or CoTeO3 phases. High resolution Synchrotron X-ray Diffraction has been used to probe different phases present in synthesized CTO and to achieve its single phase. Further, XANES studies near Co K and Te L-edge reveal mixed oxidation states of Co (i.e. Co2+ and Co3+) and +VI valence state of Te respectively, which is also confirmed with XPS. Charge imbalance due to different oxidation states of the Co-ions has been observed to be compensated by plausible Te-cations vacancy. Enhanced multiferroic properties like effective magnetic moment (JAP 116, (2014)) have been correlated with the present synthesis route.

研究の動機と目的

• 相純粋なケイ酸コバルト（Co3TeO6）を不適切な多フェロイック材料として信頼性のある合成経路を開発すること。
• 固体状態反応中に一般的に生成するCo5TeO8やCoTeO3などの不純相を回避すること。
• 高度なX線技術を用いて合成されたCo3TeO6の電子的および構造的性質を特徴づけること。
• 観察された多フェロイック行動とCoおよびTeの酸化状態および欠陥化学との相関を明らかにすること。

提案手法

• 中間相の生成を避けるために、Co3O4とTeO2を原料として用いた二段階固体状態反応プロセスを採用した。
• 相純度の確認および結晶構造の精練には、高分解能シンクロトロンX線回折（SXRD）を用いた。
• 酸化状態の同定のために、Co K端およびTe L端でのX線吸収端近接スペクトロスコペー（XANES）を実施した。
• XANESで同定された酸化状態の妥当性を検証するために、X線光電子スペクトロスコピー（XPS）を用いた。
• 観察された酸化状態および化学 Stoichiometry のずれに基づいて、電荷補償機構を分析した。
• 合成経路を従来の方法と比較し、相純度および多フェロイック性能の向上を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Co3O4とTeO2を用いた二段階固体状態合成法により、中間ケイ酸コバルト塩を生成せずに相純粋なCo3TeO6を合成できるか？
• RQ2 合成されたCo3TeO6におけるCoおよびTeの酸化状態は何か？ それらは電子構造にどのように影響するか？
• RQ3 混合されたCo²⁺およびCo³⁺状態に起因する電荷不均衡は、結晶格子内でどのように補償されているか？
• RQ4 この合成経路は、従来の方法と比較して、Co3TeO6の多フェロイック特性をどの程度向上させているか？
• RQ5 Te欠陥は多フェロイック相の安定化にどのような役割を果たしているか？

主な発見

• Co3O4をコバルト源として用いることで、Co5TeO8 や CoTeO3 などの中間相の生成が効果的に抑制された。
• 高分解能シンクロトロンX線回折により、高い構造的正確性を有する単相Co3TeO6の生成が確認された。
• XANES分析により、Co（Co²⁺およびCo³⁺）の混合酸化状態およびTeが+6酸化状態にあることが明らかになった。
• XPS測定結果はXANESの結果を裏付け、Co²⁺、Co³⁺およびTe⁶⁺の存在が確認された。
• 混合酸化状態に起因する電荷不均衡は、補償機構としてTe欠陥の形成に起因するとされた。
• この合成経路により、より高い有効磁気モーメントを示すなど、多フェロイック特性が向上しており、先行研究と整合的である。