Cu+2 ve Co+2 ile katkılı rutile(TiO2) tek kristalinin EPR tekniği ile incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada iyon ekme tekniği kullanılarak, Cu+2 ve Co+2 iyonlarıyla katkılandırılmış rutile (TiO2) örneklerinin düşük sıcaklıklarda (7-13 K) elde edilmiş EPR spektrumları incelendi. Her iki iyonun efektif spini ½ ve çekirdek spinleri sırasıyla 3/2 ve 7/2 olduğu için, sadece Zeeman ve aşırı ince yapı etkileşim terimi içeren bir spin hamiltonyeni kullanılarak deneysel veriler analiz edildi. Teorik analizlerde 2 farklı metot kullanıldı. Öncelikle efektif alan yaklaşımı benimsenerek lineer regresyon analizi ile her iki iyona ait G ve A tensörünün özdeğer ve özeksenleri bulundu. Her iki iyonun da örgü içerisinde Ti+4 iyonlarının yerine oturduğu sonucuna varıldı. Regresyon analizinin Cu+2 iyonları için güzel sonuçlar vermesine rağmen, Co+2 iyonları için yeterli kalmadığı görüldü. Bunun üzerine spin hamiltonyeninin tam diagonalizasyonu metoduna başvuruldu. Optimizasyon teknikleri ile deney sonuçlarını sağlayan en iyi parametre setlerine ulaşıldı. Bu uygulama sonucunda da katkılandırılan iyonların Ti+4 iyonları yerine oturduğu teyit edildi. Deneysel spektrumlarda (101) ve (101) düzlemlerine ait verilerde merkezlerin birbirinden ayrışmasının, bu düzlemlerden yapılan 20'lik kayma sonucunda oluştuğu teorik analizlerle ispatlandı. Elde edilen sonuçlar şöyle özetlenebilir: Kristalografik Eksenler [101] [010] [10 1] Kobalt G 2.1112 3.7217 5.8890 A (cm-1) 0.0040 0.0025 0.0142 63Cu G 2.1139 2.0898 2.3395 A (cm-1) 0.0028 0.0032 0.0087 65Cu G 2.1139 2.0898 2.3395 A (cm-1) 0.0031 0.0034 0.0092

X band EPR spectra of Cu+2 and Co+2 doped rutile (TiO2) with ion implantation was obtained at liquid helium (7-13 K) temperatures. Since both of the ions have ½ effective spin and their nuclear spin 3/2 and 7/2 respectively, a relatively simple spin hamiltonian containing only electronic Zeeman and hyperfine terms was observed to be enough. Two different methods were used in theoretical analysis. Firstly, a lineer regression analysis of spectra based on effective field approach was studied. Eigenvalues of G and A tensors of both ions were obtained. Eigenaxes of these tensors were estimated to align parallel to each other. By obtained symmetry of these tensors, it was concluded that both ions substitute for Ti+4 ion in lattice. It was realised that lineer regression analysis based on effective field approach is not enough for analysing Co+2 spectra. Therefore all spectra were analysed again with exact diagonalization of spin hamiltonien and high accuracy results were reached. These results proved that both ions substitute for Ti+4. Lastly, it was shown that the observed decomposition of paramagnetic centers in (101) and (101) planes of experimental spectra was due to a small misorientation of sample (20) from the exact crystallographic planes. Obtained results are as follows: Crystallographic axes [101] [010] [10 1] Co+2 G 2.1112 3.7217 5.8890 A (cm-1) 0.0040 0.0025 0.0142 63Cu+2 G 2.1139 2.0898 2.3395 A (cm-1) 0.0028 0.0032 0.0087 65Cu+2 G 2.1139 2.0898 2.3395 A (cm-1) 0.0031 0.0034 0.0092