TlInS2, TlGaS2 ve TlGaSe2 bileşiklerinin elektron paramanyetik rezonans yöntemi ile incelenmesi

Abstract

Sahip oldukları ferroelektrik, yarıiletken ve faz geçiş özelliklerinden dolayı yoğun bir şekilde araştırılan TlInS2, TlGaS2 ve TlGaSe2 üçlü katmanlı halojenik bileşiklerin manyetik özellikleri oda sıcaklığında Elektron Paramanyetik Rezonans tekniği kullanılarak ilk defa araştırıldı. Demir katkılandırılmış kristallerin oda sıcaklığında anisotropik ESR (Elektron Spin Resonans) spektrumları gözlendi. Gözlenen bu spektrumlar, negatif yüklü dört halojen S/Se iyonu ile çevrili düzgün dörtyüzlünün (tetrahedron) merkezine yerleşmiş In/Ga atomlarının yerine oturan paramanyetik Fe+3 iyonuna ait olduğu anlaşıldı.Bu kristaller katmanlı yapıya sahip olup katmanlar birbirlerine üçgensel boşluklara yerleşmiş Tl atomları üzerinden bağlıdır. Bu boşluklarda yerleşik Tl atom zincirinin kristalin (ab) düzlemine dik ?zigzag? bir dizilime sahip olup her Tl atomunun en-yakın dört Fe iyonu komşusu vardır. Ortaya konan teorik modelle, gözlenen anisotropik ESR spektrumlarının manyetik olarak birbirine eşdeğer dört paramanyetik Fe+3 merkezinden kaynaklandığı anlaşılmıştır.Oda sıcaklığında alınan ESR spektrumları ve bu spektrumlardaki rezonans çizgilerinin anisotropik davranışları geliştirilen bir simülasyon programı ile analiz edilerek her bir merkez için kristal alan tam olarak belirlendi. Tetrahedronların, Tl atomu ile Fe atomunu birleştiren eksen boyunca eksensel ve bu eksene dik düzlemde tetragonal bozunmaya maruz kaldığı, her bir merkezin simetri ekseninin kristal düzlemi ile 45 derece, birbirleri ile de 90 derece açı yaptığı ortaya konulmuştur.Gözlenen ESR spektrumlarının çizgi genişlikleri bir çok paramanyetik rezonans çalışmalarında karşılaşılan çizgi genişliklerinden oldukça fazladır. Bu durum, bozunmaya sebep olan Tl atomlarının zigzag dizilime sahip olması ve iki farklı pozisyonda yerleşik Tl atomlarının etkisinin süper pozisyonu sonucunda çizgi genişliğinde bir artışa (linewidth broadening) sebep olduğu şeklinde izah edilmiştir.Oda sıcaklığında yapılan deneyler ve teorik analizler sonucunda elde edilen bulgular, düşük sıcaklıklarda karşılaşılan faz geçişlerinin anlaşılmasında ve bu faz geçişlerinin nedeni olan etkin atomik gurubun belirlenmesine ışık tutmuştur.Magnetic properties of TlInS2, TlGaS2 and TlGaSe2 ternary layered chalcogenide compounds, which have been under intensive investigation due to the ferroelectric, semiconductor and phase transition properties, have been investigated firstly by Electron Paramagnetic Resonance technique (EPR). The anisotropic electron paramagnetic resonance spectra of iron doped crystal have been observed at room temperature. It has been revealed that the observed spectra belongs to paramagnetic Fe+3 ion located instead of In/Ga atoms at the center of tetrahedron which is surrounded by four negatively charged chalcogen S/Se ions.These crystals have layered structure and these layers combined with each other via Tl atoms located in the trigonal cavities between the layers. Tl atoms chains have a perpendicular zigzag alignment to (ab) plane of crystals and each Tl atom has four nearest neighbor Fe+3 ions. Using theoretical model it was determined that the reason of anisotropic ESR spectra was the four magnetically equivalent Fe+3 paramagnetic centers.Room temperature EPR spectra and anisotropic behavior of resonance lines in these spectra were analyzed by the developed simulation program and crystalline field on Fe centers have been determined. It was shown that each tetrahedron distorted axially along an axis from Tl atom to Fe atom and distorted tetragonally at perpendicular plane to this axial symmetry axis so the symmetry axis of distorted tetrahedron makes 45 degree with the layer of crystal and makes 90 degree with each otherThe linewidth of observed spectra is larger than resonance linewidth of usual paramagnetic ions in some crystals. From the fitting model it is outlined that, two types of Tl atoms in the ?zizzag? alignment of Tl atom chain causes the linewidth broadening as a superposition of effect of different distorted tetrahedron.The experimental result at room temperature and extracted data from the theoretical analysis elucidate the unusual phase transition in these compound and active atomic groups responsible from this structural phase transition at low temperature.