Fe3+ katkılı katmanlı üçlü talyum kalkojenlerde yapısal faz geçişlerinin elektron paramanyetik rezonans tekniği (EPR) ile incelenmesi
Investigation of structural phase transitions in Fe3+ doped ternary thallium chalcogenides by electron paramagnetic resonance technique (EPR)
Yazar: MUHAMMED AÇIKGÖZ
Danışman: DOÇ. DR. FAİK MİKAİLOV
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Fe3+ katkılı TlGaSe2 tek kristalinin 15-300 K sıcaklık aralığındaki EPRaraştırmalarının sonuçları sunuldu. 110 K` nin altındaki sıcaklıklarda EPRspektrasında kayda değer değişimler gözlemlendi. Bu değişimler güçlü yarılma veilave rezonans çizgilerinin ortaya çıkması olarak belirmektedir. Sonuç olarak, 110 K'de gözlemlenen faz geçişi kristal katmanlarının bu faz geçişi sırasında birbirineyapışmasının bir neticesi olan zikzak şekilde yeniden düzene girme ile birlikte oluşanTl iyonlarının farklı gruplarının eşdeğer olmayan yerdeğiştirmeleri ile açıklandı.Buna ek olarak, Fe katkılı TlGaSe2 kristalinin EPR çalışması, kristalyapısındaki farklı tetrahedron dizinlerinde yerleşik manyetik olarak eşdeğer olmayanen az iki çeşit Fe3+ merkezlerinin katkılarından kaynaklanan rezonans çizgileri ortayakoymaktadır.Fe katkılı TlInS2 tek kristalinin 5?300 K sıcaklık aralığındaki düşük sıcaklıkEPR araştırmalarının sonuçları sunuldu. InS4 tetrahedronlarının merkezlerindeyerleşik Fe3+ merkezlerinden kaynaklanan EPR sinyalleri gözlemlendi. Neticede,TlInS2 kristalinin düşük sıcaklık EPR çalışmasında rezonans çizgilerinin sıcaklığıdüşürdükçe, özellikle 200 K' den düşük sıcaklıklarda, küçük bir kayma ve dikkatedeğer yarılma gösterdikleri gözlemlenmiştir. Bu değişimler ferroelektrik fazgeçişinin etkisi olarak düşünülmüştür. Düşük sıcaklık yarılmalarının, katmanlarındüzleminde yerleşik Tl iyonlarının iki farklı Tl atomu grubunun antiparalelyerdeğiştirmesi şeklinde gerçekleşen yeniden düzene girmeleri ile alakalı olduğusonucuna varıldı.Ayrıca rezonans alanların rotasyonel desenleri düşük sıcaklıklarda rezonansmerkezlerinin sayısındaki ikiye katlanmayı ortaya çıkarmaktadır. Başlangıçvsimülasyonları ikiye katlanmanın, fine yapı yarılmasının büyüklüğü hemen hemenaynı olduğu halde, merkezlerin temel eksen sisteminin rotasyonuyla alakalı olduğunugöstermektedir.Yine bu çalışmada, paramanyetik Fe3+ katkılı TlGaS2 kristalinin 5-300 Ksıcaklık aralığında düşük sıcaklık EPR spektrasının sonuçları verilmiştir. Fe3+merkezlerin düşük scaklık EPR spektrasının bilgisayar simülasyonlarının başlangıçsonuçları düşük sıcaklıklarda rezonans merkezlerinin çiftlenmesini göstermemektedir.TlGaS2 kristalinin rezonans çizgilerinin oda sıcaklığı ve düşük sıcaklık değerleriarasındaki ilişki TlGaS2' nin eşyapılı bileşiklerindeki ilişkilerin tersidir. TlGaS2kristalinin eşyapılı bileşikleri olarak, TlInS2 ve TlGaSe2 kristallerinin düşük sıcaklıkEPR spektraları çiftlenme gösterirken TlGaS2' nin oda sıcaklığı EPR spektrasıçiftlenme göstermektedir.Tl üçlü kalkojenlerinin rezonans çizgilerinin oda ve düşük sıcaklık ilişkileridüşünüldüğünde düşük sıcaklıklarda TlGaS2 kristalindeki durum hakkında şu sonucavarmaktayız: Tl atomları zikzak hizalanmalarını yitirirler ve Tl zincirleri üzerinde eşyapısal pozisyonlara sahip olurlar.GaSe4, GaS4 ve InS4 tetrahedralleri arasında yerleşik Tl atomlarının düşüksıcaklıklardaki yerdeğiştirmelerine ilişkin olası modeller belirlendi. Genel olarak, Tlatomlarının katmanların düzlemine göre yeniden düzene girmeleri irdelendi.EPR deneylerinin analizlerinden elde edilen sonuçlar irdelenen teorikyaklaşımlarla birleştirildiğinde Tl atomlarının yerdeğiştirmelerine ilişkin 5 farklımodel geliştirildi.

Abstract:
The results of EPR investigations of Fe3+ doped TlGaSe2 single crystals inthe temperature range of 15-300 K are presented. Considerable changes of EPRspectra were observed at the temperatures below 110 K, which are associated with astrong splitting and appearance of additional resonance lines. As a result, one canconclude that the observed phase transition at 110 K is occured with the nonequivalentdisplacements of different groups of Tl ions accompanied by their zigzagrearrangement in a result of sticking of crystal layers during structural phasetransition at about 110 K.Additionally, EPR study of TlGaSe2 crystal doped by paramagnetic Fe ionsshowed that the resonance lines originate from the contributions of at least two typesof magnetically non-equivalent Fe3+ centers localized at different tetrahedron arraysof the crystal structure.The results of low temperature EPR investigations of Fe doped TlInS2 singlecrystals in the temperature range 5?300 K are presented. The EPR signal due to Fe3+centers located at the centers of InS4 tetrahedrons has been observed. It has beenestablished that the resonance lines exhibit a slight shift and remarkable splitting atthe temperatures lower than 200 K, which is attributed to the effect of theferroelectrik phase transition. It is concluded that the low-temperature splittings arerelated to the rearrangement of Tl atoms in the plane of layers, which is accompaniedby antiparallel displacements of two different groups of Tl atoms.Moreover, the rotational patterns of the resonance fields reveal a doubling ofthe number of centers at low temperatures. The preliminary simulation indicates thatthe doubling is related to the rotation of the principal axis system of the centers,while the magnitude of fine structure splitting is nearly the same.viiAlso, in the present work the results of low temperature EPR spectra ofparamagnetic Fe3+ doped TlGaS2 crystals in the temperature range 5?300 K arepresented. The preliminary results of our computer simulations of the lowtemperature EPR spectra of Fe3+ centers indicate no doubling of the resonatingcenters at low temperatures. The relation between the resonance lines of roomtemperature and low temperature in TlGaS2 crystal is opposite to the relations inisostructural compounds of TlGaS2. As being the isostructural compounds of TlGaS2,low temperature EPR spectra of TlInS2 and TlGaSe2 crystals exhibit doubling whileroom temperature EPR spectra of TlGaS2 exhibits doubling.On considering the relations of room and low temperatures of resonance linesof Tl ternary chalcogenides, we make a conclusion about the situation in TlGaS2crystal at low temperatures: Tl atoms lose their zigzag alignment and have the equalstructural positions on Tl chains.We present possible models for Tl atoms located among the GaSe4, GaS4 andInS4 tetrahedral cavities at low temperatures. Generally, rearrangements of Tl atomsaccording to the plane of layers were considered.Combining the results of the analysis of low temperature EPR measurementswith the examined theoretical considerations we concluded 5 different models aboutthe displacements of Tl atoms.