[논문]LiTaO3 단결정 내의 Fe3+ 상자성 불순물 이온에 대한 에너지 준위 계산

염태호; 윤달호; 이수형

doi:10.4283/jkms.2014.24.3.071

LiTaO3 단결정 내의 Fe3+ 상자성 불순물 이온에 대한 에너지 준위 계산
Energy Level Calculation of Fe3+ Paramagnetic Impurity Ion in a LiTaO3 Single Crystal 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.24 no.3, 2014년, pp.71 - 75

염태호 (청주대학교 레이저광정보공학과) , 윤달호 (청주대학교 레이저광정보공학과) , 이수형 (청주대학교 레이저광정보공학과)

초록
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정비조성으로 성장시킨 $LiTaO_3$ 단결정 및 비정비조성으로 성장시킨 $LiTaO_3$ 단결정 내에 불순물로 도핑된 $Fe^{3+}$ 상자성 불순물 이온의 바닥 상태에서의 에너지 준위를 계산하였다. $LiTaO_3$ 단결정 내에서 육방정계 대칭성을 갖는 $Fe^{3+}$ 이온의 전자 상자성 공명 상수인 분광학적 분리인자 g 및 영자기장 갈라지기 D 값을 이용하여 6개의 에너지 준위 사이의 에너지 준위를 계산하였다. 자기장을 결정학적 주축 ([100], [001], [111])과 나란하게 가하여 자기장을 증가시켜 감에 따라 얻은 에너지 준위 갈라지기는 자기장을 가한 방향에 따라서 서로 다른 값을 나타내었다. ${\mid}{\pm}5/2$ > ${\leftrightarrow}{\mid}{\pm}3/2$ >및 ${\mid}{\pm}3/2$ > ${\leftrightarrow}{\mid}{\pm}1/2$ > 사이의 전이에서 계산한 영자기장 갈라지기 값은 정비조성으로 성장시킨 $LiTaO_3$ 단결정과 비정비조성으로 성장시킨 단결정의 경우에 각각 12.300 GHz, 6.150 GHz와 59.358 GHz, 29.679 GHz이다. 결정성장 조건에 따라 에너지 준위가 상당히 다른 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ground state energy levels of the $Fe^{3+}$ paramagnetic impurity ion in stoichiometric $LiTaO_3$ and in congruent $LiTaO_3$ single crystals were calculated with electron paramagnetic resonance constants. Energy levels between six energy levels were obtained with spectroscopic splitting parameter g and zero field splitting constant D for $Fe^{3+}$ ion. The energy diagrams of $Fe^{3+}$ ion were different from different magnetic field directions ([100], [001], [111]) when magnetic field increases. The calculated ZFS energies of $Fe^{3+}$ ion in stoichiometric and congruent $LiTaO_3$ single crystals for ${\mid}{\pm}5/2$ > ${\leftrightarrow}{\mid}{\pm}3/2$ > and ${\mid}{\pm}3/2$ > ${\leftrightarrow}{\mid}{\pm}1/2$ > transitions were 12.300 GHz and 6.150 GHz, and 59.358 GHz and 29.679 GHz, respectively. It turns out that energy levels of $Fe^{3+}$ paramagnetic impurity in $LiTaO_3$ crystal are different from different crystal growing condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그간 LiTaO₃ 단결정 내에 불순물로 Fe³⁺ 이온을 도핑 시켜서 비정비조성(congruent) 방법[16]과 정비 조성(stoichiometric) 방법[17]으로 성장시킨 두 종류의 LiTaO₃ 단결정에 대한 Fe³⁺ 불순물 이온에 대한 전자 상자성 공명 연구가 발표되었다. 본 연구에서는 위의 정비조성 및 비정비조성으로 성장시킨 LiTaO₃ 단결정에 도핑된 Fe³⁺ 이온에 대한 전자 상자성 공명 실험결과를 이용하여 LiTaO₃ 단결정 내의 Fe³⁺ 이온의 바닥 상태 에너지 준위를 계산하고자 한다. 이 계산에서는 두 논문에서 발표된 Fe³⁺ 이온의 분광학적 분리인자 g와 영자기장 갈라지기(zero-field splitting) 상수를 사용하여 유효 스핀하밀토니안으로 계산하였다.

제안 방법

Fe³⁺ 이온을 도핑 시켜 성장한 LiTaO₃ 단결정 내의 Fe³⁺ 이온의 전자 상자성 공명 상수를 사용하여 Fe³⁺ 공명중심에 대한 바닥상태에서의 에너지 준위를 계산하였다. 먼저 정비조성 방법으로 성장시킨 LiTaO₃ 단결정 내의 Fe³⁺ 이온의 경우에는 전자 상자성 공명 상수인 분광학적 분리인자 g_xx = g_yy = 1.
다음은 비정비조성 방법으로 성장시킨 LiTaO₃ 단결정의 경우에 Fe³⁺ 이온의 바닥상태에서의 에너지 준위 값을 계산하였다. 이때에는 이미 연구 보고된 전자 상자성 공명 상수인 분광학적 분리인자 g_xx = g_yy = g_zz = 1.
이온을 치환 한다고 보고되어 있다. 본 연구에서는 LiTaO₃ 단결정 내에서 육방정계 대칭성을 갖는 Fe³⁺ 이온의 분광학적 분리인자 g 및 영자기장 갈라지기 D 값을 이용하여 바닥상태에서의 에너지를 계산하였다. 시료는 두 가지를 선택하여 각각 계산하였는데, Fe³⁺ 상자성 불순물을 도핑하여 정비조성으로 성장시킨 LiTaO₃ 단결정과 비정비조성으로 성장시킨 LiTaO₃ 단결정 내의 Fe³⁺ 이온에 대한 에너지 준위를 계산하였다.
본 연구에서는 LiTaO₃ 단결정 내에서 육방정계 대칭성을 갖는 Fe³⁺ 이온의 분광학적 분리인자 g 및 영자기장 갈라지기 D 값을 이용하여 바닥상태에서의 에너지를 계산하였다. 시료는 두 가지를 선택하여 각각 계산하였는데, Fe³⁺ 상자성 불순물을 도핑하여 정비조성으로 성장시킨 LiTaO₃ 단결정과 비정비조성으로 성장시킨 LiTaO₃ 단결정 내의 Fe³⁺ 이온에 대한 에너지 준위를 계산하였다. 자기장을 결정학적 주축인 a- 및 b-축에 나란하게 가해주었을 때의 에너지 준위는 정비조성 및 비정비조성 단결정에서 모두 같게 나왔는데, 이는 LiTaO₃ 단결정의 구조에서 결정 대칭성과 일치하는 것으로 나타난다.
본 연구에서는 위의 정비조성 및 비정비조성으로 성장시킨 LiTaO₃ 단결정에 도핑된 Fe³⁺ 이온에 대한 전자 상자성 공명 실험결과를 이용하여 LiTaO₃ 단결정 내의 Fe³⁺ 이온의 바닥 상태 에너지 준위를 계산하고자 한다. 이 계산에서는 두 논문에서 발표된 Fe³⁺ 이온의 분광학적 분리인자 g와 영자기장 갈라지기(zero-field splitting) 상수를 사용하여 유효 스핀하밀토니안으로 계산하였다.

성능/효과

여기서도 가해준 자기장 값이 0인 경우에는 결정의 방향과 관계없이 영자기장 갈라지기 값이 같은 것을 볼 수 있다. 또한 자기장이 a-축과 b-축에 나란하게 가하였을 때는 자기장이 증가함에 따라서 에너지 준위가 서로 같게 나왔지만, c-축에 자기장을 가하였을 때는 자기장이 증가함에 따라서 에너지 준위가 전혀 다르게 나왔다. 이 역시 결정구조에 따른 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LiTaO3는 어떤 단점이 있는가?	LiTaO3 는 열에 대한 응력이 크기 때문에 결정육성 도중에 깨지기 쉽고 열전도율이 금속에 비해 작아 성장도중 형상이 고르지 않은 상태로 육성되는 경우가 생긴다. 그리고 육성도중 결정내부의 조성 균질화가 어렵다는 점 때문에 LiNbO3에 비하여 상대적으로 연구가 미비한 상태이다.
	LiTaO3 단결정에서 Fe3+ 첨가는 어떤 역할을 하는가?	LiTaO3 단결정 내의 불순물 자리와 관련된 정보는 강유전성 결정의 비선형 특성을 이해하는데 중요하다. 특히, Fe3+ 첨가는 광굴절 효과에 중용한 역할을 하고 있다[2, 6]. 광굴절 효과에 대해 더 많은 이해를 하기 위해 LiTaO3와 LiNbO3에서 불순물 Fe3+의 결함구조에 대한 정확한 지식이 필요하다.
	광굴절 효과는 어떤 인자와 밀접한 관련이 있는가?	LiTaO3(lithium tantalate)와 LiNbO3 (lithium niobate) 단결정은 강유전성, 압전성 및 전기-광학적 성질의 여러 응용으로 인하여 매력적인 물질로 알려져 있다. 홀로그램 저장장치로 사용될 수 있는 광굴절 효과는 전이금속원소 불순물 같은 결함의 존재와 밀접한 연관이 있는 것으로 보인다[1-6]. LiTaO3 단결정은 1965년 광전(electro-optic) 및 압전(piezoelectric) 소자 응용을 위하여 Czochralski 방법으로 처음 육성되었다[7].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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