X-ray diffraction studies on complex metal oxides

Abstract

The ambition of this project is to assist in the pursuance of understanding the metal to insulator transition found in magnetite at ~120 K. The transition is itself very complex and links together the charge order, orbital order and lattice distortion of magnetite with its magnetic properties. To be able to research these relationships on a more advanced level, synchrotron methods are necessary. For certain experiments it is also desirable to have these thin films without an underlying substrate. The goal of this project is to separate a magnetite thin film from a magnesium oxide substrate and investigate the effects of this process on the structural quality of the film.

Using X-ray diffraction methods a magnetite thin film sample is investigated and its crystal properties are characterized. As the lattice parameter of the magnesium oxide substrate is half of the thin film lattice parameter, the film is found to have very little strain. The quality of the thin film is also established to be high, although the interface between film and substrate seems to be rather rough.

To separate the film from its substrate, chemical etching was attempted. The strategy was to dissolve the substrate leaving behind only the thin film. The plan was then to attach the film on a silicon nitride membrane with a hole in the middle to be able to carry out transmission experiments at a synchrotron. However, the dissolving process proved to be more difficult than expected and the film lift-off process was unsuccessful.

Popular Abstract (Swedish)

Magnetit är ett mineral med ferrimagnetiska egenskaper, vilket betyder att det har två magnetiska moment riktade mot varandra. Men ett av dessa moment är dock starkare än det andra vilket gör att ett netto-magnetiskt moment bildas. Detta gör att en bit magnetit kan fungera som en vanlig handmagnet. Dessa magnetiska egenskaper hos mineralet drog tidigt till sig uppmärksamhet i gamla tider och magnetit kunde användas i antika uppfinningar, såsom kompasser.

Nuförtiden, med dagens teknologi, må kompasser inte vara lika interessanta och moderna som de en gång kanske varit, men det finns mer att hämta fråan magnetit än vad man kan tro. Det finns nämligen saker angående magnetit som vi fortfarande inte har full förståelse över. År 1939 fann Evert Verwey en märklig fasövergång hos magnetit som sker vid den så kallade Verwey temperaturen vid 120 K. Han fann att under denna temperatur har magnetit metalliska egenskaper, men över denna temperatur fungerar magnetit som en insulator. Övergången har nu kommit att kallas för Verwey-övergången. Denna övergång är väldigt abrupt och resistiviteten hos ämnet ökar med två storleksordningar i ett smalt temperaturspann. Anledningen till detta beteende är idag ännu inte helt utforskat.

Moderna synkrotronexperiment har visat att denna mystiska Verwey övergång hos magnetit kan relateras till hur ämnets laddnings- och rörelsemängdsmoment är riktat i förhållande till ämnets kristallstruktur. Eftersom dessa egenskaper ändras vid Verwey temperaturen så kan man visa att de alla är med och bidrar till Verwey övergången genom ett komplext samspel. Utöver detta visar även nyliga studier på att ämnets magnetiska moment också bidrar till övergången.

För att kunna undersöka Verwey-övergången ytterligare är det av intresse att isolera en tunn film av magnetit; detta vill man göra för att kunna använda dem i vissa synkrotronexperiment. En tunn film är, som namnet kanske antyder, ett tunt material med tätt packade kristallager. Tunna filmer tillverkas på ett underliggande material som kallas för substrat. För att kunna erhålla en tunn film av magnetit måste man alltså först avlägsna den från dess substrat.

Projektet gick ut på att först studera en tunn film av magnetits kristallstruktur med röntgenstrålning. Detta skulle göras med en metod som kallas X-ray diffraction. Filmen skulle sedan på kemisk väg separeras från substratet som den sitter på. Strategin var att upplösa substratet med en ammoniumsulfatblandning. Efter att filmen avlägsnats skulle filmen på nytt undersökas med X-ray diffraction.

Eftersom strukturer på atomära nivåer är alldeles för små för att undersöka med ögonen har vetenskapsmän genom tiderna utarbetat metoder för att kunna studera mikrokosmos. En av dessa metoder är X-ray diffraction som utnyttjar röntgenstrålningens korta våglängd för att kunna upplösa de korta distanserna mellan atomer. Om en kristall är bestrålad med röntgenstrålning av en distinkt våglängd kan kristallens struktur beräknas genom att titta på hur strålningen spridit ut sig.

Då magnetit är en kristall kunde dess struktur utlåsas med hjälp av X-ray diffraction-mätningar i detta projekt. Tyvärr visade det sig att den kemiska behandlingen av filmen inte kunde utföras enligt våra ursprungliga förhoppningar. Den kemiska lösningen som användes var alltför svag för att upplösa hela substratet och filmen flöt inte av substratet som förväntat.

Trots detta misslyckade första försök att isolera en tunn film av magnetit så kommer fler försök att genomföras inom snar framtid. Djupare förståelse för hur den komplexa övergången i magnetit fungerar är av stort intresse och behöver studeras mer. Dessa studier skulle potentiellt kunna leda till nya tekniska genombrott, vilket i sin tur skulle kunna påverka vårt samhälle på ett liknande sätt som kompassen en gång gjorde. Det är således viktigt att fortsätta forska och erhålla ytterligare förståelse för detta ämne med denna mystiska fasövergång. Kanske skulle detta leda till nya gåtor att lösa. Oavsett vad, kompassen visar vägen.

• author: Linder, Albin
• supervisor: Anders Mikkelsen; Danny Mannix
• organization: Synchrotron Radiation Research; Department of Physics
• course: FYSK01 20151
• year: 2015
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: reciprocal space, compass, x-ray diffraction, XRD, magnetite
• language: English
• id: 7860233
• date added to LUP: 2015-09-15 21:02:36
• date last changed: 2015-09-15 21:02:36