[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究利用高灵敏度同步辐射X射线衍射，研究Ho2Ti2O7、Er2Ti2O7和Yb2Ti2O7钙钛矿结构的结构对称性及轻质阳离子填隙效应。研究发现未检测到此前在中子散射中观测到的(002)衍射峰，表明材料的结构仍保持在Fd-3m空间群，因此将中子衍射峰归因于非结构起源，如磁性或动力学效应。

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.

研究动机与目标

• 确定在Ho2Ti2O7、Er2Ti2O7和Yb2Ti2O7的中子散射实验中观测到的(002)峰是否源于钙钛矿Fd-3m空间群的结构偏离。
• 研究轻质阳离子填隙（Ho2+xTi2−xO7）对晶格常数和内部应变的影响。
• 解决长期以来关于(002)峰起源的模糊性问题，该峰在理想Fd-3m对称性下为禁戒衍射，但在中子衍射中被实验观测到。
• 利用同步辐射对化学计量比和非化学计量比的稀土钛酸盐钙钛矿进行高精度结构表征。

提出的方法

• 对Ho2Ti2O7、Er2Ti2O7和Yb2Ti2O7的化学计量比和非化学计量比粉末样品进行了同步辐射X射线衍射实验。
• 对破碎的Ho2Ti2O7单晶进行分析，以最小化取向和应变效应的影响。
• 以约最强峰强度的1/30,000的灵敏度收集高分辨率衍射图谱，以检测微弱的禁戒衍射峰。
• 采用Rietveld精修方法提取晶格常数、原子坐标和占据度。
• 以高统计置信度评估(002)衍射峰的存在或缺失。
• 对轻度填隙的Ho2+xTi2−xO7固溶体的晶胞参数和内部应变进行了量化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Ho2Ti2O7、Er2Ti2O7和Yb2Ti2O7的中子散射实验中观测到的(002)峰是否源于Fd-3m空间群的结构偏离？
• RQ2 在这些钙钛矿的化学计量比和非化学计量比样品中，高灵敏度同步辐射X射线衍射能否检测到(002)衍射峰？
• RQ3 轻质阳离子填隙（Ho2+xTi2−xO7）如何影响Ho2Ti2O7的晶格常数和内部应变？
• RQ4 在高分辨率X射线衍射下，Ho2Ti2O7、Er2Ti2O7和Yb2Ti2O7的精确结构对称性是什么？
• RQ5 中子数据中的(002)峰是否可能源于动力学、磁性或其他非静态结构效应，而非对称性破缺的结构畸变？

主要发现

• 在所有Ho2Ti2O7、Er2Ti2O7和Yb2Ti2O7的同步辐射X射线衍射测量中，(002)衍射峰均未被检测到，灵敏度约为最强峰强度的1/30,000。
• 该结果强烈表明，这些钙钛矿的晶体结构仍保持在Fd-3m空间群，未检测到导致(002)衍射峰的结构偏离。
• 精确测定了Ho2+xTi2−xO7固溶体的晶胞参数，显示其随x值增加而系统性变化。
• 对轻度填隙的Ho2+xTi2−xO7中的内部应变进行了量化，表明掺杂后发生结构弛豫。
• 中子散射实验中观测到的(002)峰无法归因于静态结构畸变或对称性破缺。
• 因此，中子数据中(002)峰的非结构起源被强烈支持，表明其可能源于磁性或动力学效应。