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研究生: 白笙佑
Bai, Sheng-yo
論文名稱: 新鐵硫族化合物的合成與磁性性質
Syntheses and Magnetic Property of New Iron Chalcogenides
指導教授: 許桂芳
Hsu, Kuei-Fang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 54
中文關鍵詞: 金屬硫硒化物磁性
外文關鍵詞: Metal-transition chalcogenides, Magnetic property
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  • 本論文將藥品在封在石英管中以固態高溫反應950 oC合成出兩個新穎金屬含鐵硫硒化物。以Ba-M-Fe-Q (M=Ag、K,Q=S、Se)系統且K及Ag能參雜是靠Fe(ⅠⅠⅠ)還原到Fe(ⅠⅠ)來達到的電荷守恆,而生成化合物1與化合物2。化合物1此晶體的結構單元可以視為一維corner-shared 及edge-shared FeS4四面體沿b軸無窮延伸,且由於部分Ba2+被K+所混填,使得a軸較長。而化合物2此晶體的有兩個結構單元,分別為[FeSe4]∞ &[AgSe6]∞以edge-shared & face-shared連結以多面體無窮延伸。性質部分,在Band gap二者皆為窄能系半導體,對化合物1約為1.45eV;且由
    DTA確認化合物1為熱穩定化合物;磁性方面,現在只能確認畫化合物1在結構中Fe離子之間整體有明顯反鐵磁性作用力。

    The two new metal chalcogenides were synthesized by a solid-state reaction at 950oC. This structure crystallizes of compound1 in a centrosymmetric space group belongs to K-Ba-Fe-S system. The crystal structure unit can be viewed as an infinite one-dimensional edge-shared and face-shared FeSe4 polyhedron. Therefore, the building units compose a three-dimensional framework with Ba2+ and K+ cations filled in the tunnels. This structure crystallizes of compound2 belongs to Ba-Fe-Ag-Se system. The compound2 has two structure units, and the structure units can be viewed as an infinite three-dimensional face-shared FeSe4 and AgSe6 polyhedron. In addition, the building units compose a three-dimensional framework with Ba2+ cations filled in the tunnels. Interestingly, the compounds are viewed as Ba-Fe-Q (Q=S、Se) phase considering Ag+ and K+ doped, with Fe3+ reduced to Fe2+ for in order to maintain the electroneutrality of the system.
    The differential thermal analysis of compound1 reveals that melting point is ~760 oC and the recrystallization point is ~695 oC. The magnetic chalcogenide of compound1 displays band gaps of 1.45 eV, and it is provided with antiferromagnetic interaction between single magnetic chain of iron atoms.

    摘要 I Abstract II 誌謝 IX 目錄 X 表目錄 XII 圖目錄 XIV 第一章 緒論 1 第二章過渡金屬硫族化合物之合成與鑑定 10 2–1 單晶合成 10 2–2 單晶X -光繞射分析 (Single Crystal X–ray Diffraction Analysis) 12 2–3 能量散佈光譜儀之元素分析 14 2–4 粉末X-光繞射分析 16 2–5 紫外-可見-近紅外光光譜儀分析 (UV–vis–NIR Reflection Spectrometer) 17 2–6 差示熱分析 (Differential Thermal Analysis, DTA) 18 2–7 超導量子磁化干涉儀之磁性分析 18 第三章 結構與性質探討 20 3-1 晶體結構 20 化合物1 KBa6Fe6S14單晶結構 20 化合物2 Ba3AgFe3Se7 單晶結構 30 3-2 純相合成及分析 38 3–3 熔點分析 39 3-4 光學性質 40 3-5 磁性討論 41 結論 46 參考文獻 47 附錄 49 表 3 1 Ba(1)與Ba(2)原子位置、熱擾動參數值及佔有率 21 表 3 2 Ba(3)與K(3)原子位置、熱擾動參數值及佔有率 23 表3 3 結構單元鍵長資料(Å) 23 表 3 4 結構單元鍵長資料(Å) 24 表 3 5 Ba(4)與K(4)原子位置、熱擾動參數值及佔有率 25 表 3 6 結構單元鍵長資料(Å) 26 表 3 7 以Bond Valence Sum來估算化合物1之價數 26 表 3 8 結構單元鍵角資料 26 表 3 9 Ba7Fe6S14之結構單元鍵長資料(Å) 27 表 3 10 Ba-Fe-S三元物系統中以edge-shared方式鍵結,價數及鍵長比較表 28 表 3 11 化合物1 KBa6Fe6S14單晶繞射數據 29 表 3 12 結構單元(Ⅰ)鍵長資料(Å) 32 表3 13 結構單元(Ⅱ)鍵長資料(Å) 33 表 3 14 Ba-Fe-Se三元物系統中,價數及鍵長比較表 34 表 3 15 Ba3AgFe3Se7 & Ba3Fe3Se7 鍵長比較 36 表 3 16 Ba3AgFe3Se7 & Ba3Fe3Se7 鍵角比較 36 表 3 17 化合物2 Ba3AgFe3Se7單晶繞射數據 37 表 3 18 化合物1 中一維鏈狀Fe-Se彼此間鍵結角度 41 表 3 19 Ba & Fe之chalcogenides的磁特性及K0.54Ba3Fe3S7比較 42 表 3 20 Ba3FeS4Br、Ba2MFeS5(M=Sb、Bi)、Mn2+xGdS5+x 之磁性特性 45 圖 1 1 化合物 FeBi2Se4 磁化率χ對T作圖及變磁場磁化強度圖 2 圖 1 2 化合物FeBi2Se4沿b軸投影圖及[Fe(3)Se4n+2]∞磁性單鏈 3 圖 1 3 化合物 FeBi2Se4 中400K時Fe對Se原子間距離圖示 3 圖 1 4 K0.6Fe2Se2之層狀結構 4 圖 1 5 高壓下BaFe2S3之結構 5 圖 1 6 化合物(BaF)2Fe1.73S3之三維結構及Fe-dimer之平面結構 6 圖 1 7 化合物(BaF)2Fe1.73S3之磁化率對溫度做圖 7 圖 1 8 硫化物 Ba2FeMS5 之三維結構 8 圖 2 1 化合物1 之晶體外觀 11 圖 1 2 (左)化合物(1) KBa6Fe6S14 (右)化合物(2) Ba3AgFe3Se7晶體黏著於玻璃纖維頂端 13 圖 2 3 化合物1 EDS 訊號峰及晶體外觀 15 圖 2 4 化合物2 EDS 訊號峰及晶體外觀 15 圖 3 1 化合物1 KBa6Fe6S14整體結構沿 b 軸投影圖 20 圖 3 2 Ba7Fe6S14整體結構沿 b 軸投影圖 21 圖3 3 Ba(1)與Ba(2)之配位環境 22 圖 3 4 左為Ba(3)與K(3)之配位環境;右為Ba(4)與K(4)之配位環境 23 圖 3 5 左為Ba3FeS5之Ba配位環境;右為K7Fe5S10之K配位環境 24 圖 3 6 結構單元沿 ac 面以共用Se之鏈狀結構 25 圖 3 7 結構單元標示出各原子之位置 25 圖 3 8 Ba7Fe6S14之FeS4結構單元 27 圖 3 9 化合物2 Ba3AgFe3Se7 整體結構沿 c 軸投影圖 30 圖 3 10 Ba3Fe3Se7 整體結構沿 c 軸投影圖 31 圖 3 11 結構單元(Ⅰ)沿 c 軸以共用Se之鏈狀結構 32 圖 3 12 化合物2 結構單元(Ⅱ)沿 ab 面以共用Se之結構 33 圖 3 13 Ba3AgFe3Se7 & Ba3Fe3Se7結構 35 圖 3 14 Ba3AgFe3Se7 & Ba3Fe3Se7之分別三核[Fe3Se7]結構單元 35 圖 3 15 KBa6Fe6S14粉末X-光繞射圖 38 圖 3 16 化合物1 KBa6Fe6S14之DTA量測結果 39 圖 3 17 化合物1 KBa6Fe6S14之UV–vis–NIR量測結果 40 圖 3 18 化合物1 FeS4結構單元內之Fe..Fe距離 41 圖 3 19 化合物1 ZFC及 FC 磁化率對溫度曲線圖 42 圖 3 20 以1/χM對溫度作圖並依Curie-Weiss law做線性fitting 44 圖3 21 化合物1 KBa6Fe6S14以χMT對溫度作圖 44

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