İnorganik spin-Peierls (CuGeO3) sistemlerde ESR tekniği ile faz geçişi incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında spin-Peierls sistemleri ele alınmıştır. İlk olarak spin sistemleri için spin dalga teorisi incelenerek değişik etkileşme türleri ve kristal yapıları için genel sonuçlar verilmiştir. Daha sonra tek boyutlu antiferromanyetik sistemlerde görülen spin-Peierls olayı etraflıca araştırılmıştır. Bu teorik bilgiler ışığı altında CuGeO^ bileşiği detaylıca incelenmiştir. Söz konusu bu bileşiğin hem tek kristal hem de toz örnekleri üzerinde 4-300K sıcaklık aralığında deneysel ESR spektrumlan alınmıştır. Bu ESR spektrumlannın yukarıda anlatılan teorilerle yapılan analizleri sonucunda bu bileşiğin yüksek sıcaklıklarda tek boyutlu antiferromanyetik bir sistem olup 14K'nın altında spin-Peierls durumuna geçtiği anlaşılmıştır. Daha sonra söz konusu bu inorganik CuGeCh bileşiğinin hem manyetik Ni++, Mn"1^ ve hem de manyetik olmayan Zn** iyon katkılı örneklerinde ESR deneyleri yapılmıştır. CuGeÛ3 bileşiğinin manyetik özelliklerinin Cu++ iyonlarında bulunan S=l/2 spinlerinden kaynaklandığı ve tüm spinlerin tek doğrultuda sıralanmış zincir biçiminde O2 atomu üzerinden antiferromanyetik süper değiş-tokuş etkileşmesi gösterdiği bulunmuştur. Cu4^ iyonları yerine giren katkı iyonlarının antiferromanyetik Cu-O-Cu sonsuz zincirini kırarak zincirin enerji yapısını önemli oranda değiştirdiği ve böylece Tsp geçiş sıcaklığını düşürdüğü belirlenmiştir. Bununla beraber Tsp (=14K) sıcaklığının altındaki sıcaklık bölgesinde örnek soğutulmaya devam edildiğinde T<7K bölgesinde, özellikle katkılı örneklerde, yeniden antiferromanyetik faza benzer bir davranışın ortaya çıktığı ve bu fazın manyetik katkılı örneklerde spin-glass türü bir davranış sergilediği görülmüştür. Ayrıca, Ni"1"1" iyon katkılı örneğin ESR spektrumunun 37-100K sıcaklık aralığındaki değişimine Dzyaloshinskii-Moriya etkileşmesinden kaynaklanan spin- flop özelliğinin neden olduğu anlaşılmıştır. Katkılı örneklerin saf örneklere göre daha anizotropik olduğu da anlaşılmıştır.In this thesis spin-Peierls systems were studied. Firstly spin wave theory was investigated for spin systems and general results were interpreted for various interaction types and crystal structures. Then spin-Peierls event, appearing in one dimensional antiferromagnetic systems, was worked out. In the frame of these theoretical information, CuGeC>3 was investigated in detail. ESR spectra were acquired both in single crystal and in powder forms of this material in 4-3 00K temperature range. By the analysis of these spectra, it was understood that, this material is a one dimensional antiferromagnetic system at high temperatures and it demonstrates spin-Peierls property below 14K. The same experiments were performed by doping magnetic Ni""", Mn++ and nonmagnetic Zn4^ ions into this material. It was found that, magnetic properties of CuGeC>3 were originated from S=l/2 spins of Cu++ ions. All spins of Cu4"1" atom in the chain were also found to exhibit super exchange interaction mediated by O2 atom in the chain. Doped ions, which locate the positions of Cu++ ions, also cracks the Cu-O- Cu antiferromagnetic infinite chain and thus change the energy structure significantly whereby Tsp transition temperature was shifted to lower values. On the other hand if the cooling of the sample goes on along, the values below Tsp (=14K), an antiferromagnetic new phase was observed at T<7K region particularly at doped samples and this new phase exhibits an spin-glass type behaviour. In addition, the change in spectrum of Ni++ doped sample at 37-100K region was caused by Dzyaloshinskii-Moriya interaction based on spin-flop property. Doped samples are found to be more anisotropic with respect to pure samples as well.