[논문 리뷰] The symmetry and light stuffing of Ho2Ti2O7, Er2Ti2O7 and Yb2Ti2O7 characterized by synchrotron X-ray diffraction

Kristen Baroudi, B. D. Gaulin외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 22.

Nuclear materials and radiation effects인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 허모늄, erbium, ytterbium 툠타이트 피로클로라이트인 Ho2Ti2O7, Er2Ti2O7, Yb2Ti2O7의 구조적 대칭성과 경성 이온 도핑을 고감도 싱크로트론 X선 회절을 통해 조사한다. 이전에 중성자 산란에서 관측된 바 있는 (002) 피크가 검출되지 않아, 물질의 구조가 Fd-3m 공간군을 유지하고 있음을 시사하며, 중성자 피크의 기원을 구조적 원인이 아닌 자성 또는 동적 효과와 같은 비구조적 기원으로 귀속시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• Ho2Ti2O7, Er2Ti2O7, Yb2Ti2O7에서 중성자 산란 실험에서 관측된 (002) 피크가 피로클로라이트의 Fd-3m 공간군에서의 구조적 이탈에서 기인하는지 여부를 규명하는 것.
• 경성 이온 도핑(Ho2+xTi2−xO7)이 격자 상수와 내부 응력에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 이(de) 이상의 오랜 기간 동안 애매하게 여겨진 (002) 피크의 기원을 해결하는 것. 이 피크는 이상적인 Fd-3m 대칭성에서는 금지된 반면 실험적으로 중성자 衍射에서 관측된다.
• 싱크로트론 복사선을 이용한 스토이키오메트릭 및 비스토이키오메트릭 희토류 툰산염 피로클로라이트의 고정밀 구조 특성 분석을 제공하는 것.

제안 방법

• 스토이키오메트릭 및 비스토이키오메트릭 Ho2Ti2O7, Er2Ti2O7, Yb2Ti2O7의 분말에 대해 싱크로트론 X선 회절을 수행하였다.
• 편향과 응력 영향을 최소화하기 위해 분쇄한 단일 결정 Ho2Ti2O7을 분석하였다.
• 약 30,000분의 1의 가장 강한 피크에 상응하는 감도로 고해상도 회절 패턴을 수집하여 약한 금지 피크를 검출하였다.
• 리에브델 리파인먼트를 사용하여 격자 상수, 원자 좌표, 위치 점유율을 추출하였다.
• (002) 피크의 존재 또는 부재를 높은 통계적 신뢰도로 평가하였다.
• 경성 이온 도핑에 의한 경량 Ho2+xTi2−xO7 고체 용액의 세포 상수와 내부 응력을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ho2Ti2O7, Er2Ti2O7, Yb2Ti2O7에서 중성자 산란 실험에서 관측된 (002) 피크가 Fd-3m 공간군에서의 구조적 이탈에서 기인하는가?
• RQ2 이 피로클로라이트의 스토이키오메트릭 및 비스토이키오메트릭 표본에서 고감도 싱크로트론 X선 회절로 (002) 피크를 검출할 수 있는가?
• RQ3 경성 이온 도핑(Ho2+xTi2−xO7)은 Ho2Ti2O7의 격자 상수와 내부 응력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고해상도 X선 회절 하에서 Ho2Ti2O7, Er2Ti2O7, Yb2Ti2O7의 정확한 구조 대칭성은 무엇인가?
• RQ5 중성자 데이터에서 관측된 (002) 피크는 대칭성 붕괴 변형이 아닌 동적, 자성 또는 기타 정적 구조적 외 효과에 기인한 것일 수 있는가?

주요 결과

• Ho2Ti2O7, Er2Ti2O7, Yb2Ti2O7의 모든 고감도 싱크로트론 X선 회절 측정에서 (002) 피크가 검출되지 않았다. 이는 가장 강한 피크의 약 30,000분의 1의 감도 수준까지 검출 가능하다.
• 이 부재는 이러한 피로클로라이트의 결정 구조가 Fd-3m 공간군을 유지하고 있으며, (002) 피크를 유도할 수 있는 검출 가능한 이탈이 없음을 강력히 지지한다.
• Ho2+xTi2−xO7 고체 용액의 세포 상수는 정밀하게 측정되었으며, x 증가에 따라 체계적인 변화가 있음을 보였다.
• 경량 도핑된 Ho2+xTi2−xO7의 내부 응력은 정량화되었으며, 도핑에 따른 구조적 안정화를 시사한다.
• 중성자 산란 실험에서 관측된 (002) 피크는 정적 구조적 변형이나 대칭성 붕괴에서 기인할 수 없다.
• 따라서 중성자 데이터에서 (002) 피크의 기원은 비구조적 원인으로 강력히 지적되며, 자성 또는 동적 효과가 그 주된 원인일 가능성이 높다.