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綜合本實驗研究結果,Eu1-xCaxCoO3-δ、Sm1-xCaxCoO3-δ兩組系列 樣品於 XANES 光譜實驗中,鈷離子在 Ca 低摻雜樣品(x=0~0.2)價數 會增加並且伴隨著部份的氧缺陷;而 Ca 高摻雜樣品(x=0.3~0.4),鈷 離子價數則不再持續增加,大部分皆由氧缺陷平衡離子價數,導致 Co+3與 Co+4離子由低自旋態轉變為中自旋態或高自旋態,並使結構 由 CoO6 octahedral coordination 轉變為 CoO5 pyramidal coordination。

在 Re2CoMnO6(Re=Eu、La、Pr)與 PrSrCoMnO6-δ 樣品進行 Co 和 Mn 的 L 、 K-edge 及 O K-edge XANES 光 譜 實 驗 。 其 中

Re

2CoMnO6(Re=Eu、La、Pr)樣品內過渡金屬離子在不同 Re 下其價數 仍為 Mn4+/Co2+電荷有序狀態,而非游離能較小而易形成的 Mn3+/Co3+

電荷有序狀態。造成此現象成因仍在研究討論中。PrSrCoMnO6-δ 樣 品由實驗結果判斷,當利用+2 價的 Sr 取代一半+3 價的 Pr,會導致鈷 離子由+2 價轉變為+3 價,並且處在高自旋態,而錳離子則繼續維持 +4 價。並且從實驗數據與擬合數據推測,樣品內應有少量的氧缺陷,

導致能在 Co+2離子之貢獻。而 Co+3離子處在 CoO6八面體結構中,為 高自旋態與少部分低自旋態共存之結果。在未來,若能以 XRD 粉末

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繞射數據以 Rietveld 法精算其晶格常數,再利用程式運算其鈷離子 3d 軌域之參數套進 XTLS 程式進行理論模擬,可以得到更為精確之結果。

至於模擬樣品內 Co+3 離子高低自旋態較為準確的比例,來擬合實驗 數據,再配合化學滴定量測個元素之含量,尚是未來非常重要之工 作。

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附錄 XAS 理論模擬

CTM4XAS 理論模擬

CTM4XAS 是由 de Groot 博士所編寫的開放版吸收光譜理論模擬 程式如圖 1。

圖 1 CTM4XAS 作業視窗

首先,我由圖 1 上編號解說在模擬中所使用的各選項以及參數意 義。編號 1 為選擇電子組態,可從選項內選取欲模擬之元素與價數,

我以 Co+3離子為例子,並配合編號 2 之選項,如圖選擇 XAS 光譜 2p

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780 785 790 795 800

10Dq=0

Normalized Absorption (arb. units)

Photon Energy (eV) Co3+ in octahedral coordination

的電子被激發,程式則會自動顯示 Co+3 離子的起始態與末態之電子 組態。

而 Slter integral reduction 則不做調整,並設定 SO coupling redution 為 1 表示其狀態為 free-atom 之 3d spin-orbital coupling。編號 3 選項 為設定樣品結構之對稱性,圖中 Oh表示為 octahedral symmetry,另外 有三種對稱可供更改,分別為 D4h、C4、D3d以及 C3i。編號 4 其 10Dq 表示為晶格場強度,由於自旋態為晶格場與罕德定則之 exchange energy 之比例所決定,而其程式已將 exchange energy 計算於程式中,

因此當我們調整 10Dq 之大小,則有可能改變離子自旋態之變化如圖

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如圖 2 為模擬 Co+3離子並處在 octahedral symmetry 時,可以透過 晶格場大小的調整使光譜自旋態產生變化,而可以發現光譜形狀發生 改變。以下將列出在論文內模擬時所使用的參數與條件:

圖 3 為 Co+3離子處在八面體對稱下低自旋態模擬參數條件。

圖 4 為圖 3 條件下所模擬之 XAS 光譜。

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圖 5 為 Co+3離子處在八面體對稱下高自旋態模擬參數條件。

圖 6 為圖 5 條件下所模擬之 XAS 光譜。

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XTLS 理論模擬

另一個計算 XAS 理論模擬的程式為XTLS,是由 A. Tanaka 博士所編 寫之 XAS 理論模擬程式。而我在模擬時所使用的 input file 則是由胡 志偉博士所提供,建立在鈷離子為+3 價並處在八面體結構之模型下 進行理論模擬。首先,如圖 6 為 XTLS 程式模擬時可調整之參數與樣 品條件。

圖 6 XTLS 理論模擬程式作業介面與參數。

先由圖 6 上編號解說在模擬中所使用的各選項以及參數意義。編 號 1 處 U3d3d(兩顆電子皆處在 3d 軌域)、U3d2p(為 3d 軌域電子與 2p core electron)為電子殘餘庫倫作用力。Dlt 為晶格扭曲參數,由於晶格 扭曲將會造成八面體中心的過渡金屬,在不同軸向上的晶格場會造成

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差異,而產生 Jahn-Teller distortion,而造成自旋態發生改變。編號 2 之 AOh 則為晶格場大小,將與 exchange energy 直接影響自旋態的改 變。其中除了晶格場外,其他常數皆須利用 XRD 精算數據利用程式 計算後得出。

此外程式內可設定全段 Gaussian 與 Lorentzian 函數的半高寬,可 使數據經微調後更貼近實驗結果,最後更改初始態與末態來決定所欲 擬合之光譜如圖 7。其餘參數與各項調整說明可參考 Maurits W.

Haverkort[26]文獻內之解說。

圖 7 初始態與末態之參數設定。

以下將列出論文中模擬數據的最佳參數,如表 1:

表 1 為 XTLS 程式理論模擬參數。

U3d3d U3d29 Dlt fHyb Tpp AOh

Low spin 5.5 7 2 1 0.5 0.5

U3d3d U3d29 Dlt fHyb Tpp AOh

High spin 6 7 2.5 1 0.5 0.45

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x-axis FWHM x-axis FWHM

-20 0.7 -20 0.025

x-axis FWHM x-axis FWHM

-20 0.7 -20 0.025

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