Soft X-ray spectroscopy of insulators

Date

2013-09-27

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Antud töö keskendub isolaatorite (laia keelutsooniga materjalid) röntgenspektroskoopiale põhitähelepanuga resonantsel röntgenhajumisel (lüh. RIXS). Resonantse röntgenhajumise metoodika on küllaltki uudne ning vägagi sobilik isolaatorite elektronstruktuuri uurimiseks. Kahjuks saab vastavaid mõõtmisi teha ainult sünkrotronkiirguse abil ja mõõtmised on aeganõudvad. Antud töö käigus on eksperimentaalseid ja teoreetilisi uuringuid tehtud erinevatel berülliumi- ning booriühenditel. Uuritud on erinevaid tahkiseid: BeO, Be2SiO4, BeAl2O4, Be3Al2Si6O18, BN, BBO, LBO, La2Be2O5, Li6YB3O9, Li6GdB3O9, Y2SiO5. β-BaB2O4 (BBO) ja LiB3O5 (LBO) on mittelineaarse optika mitmetes rakendustes laialdaselt kasutatavad materjalid. Nende kristallide juures pakub huvi nende suurte kõrgemat järku polariseeritavuskoefitsentide päritolu. Resonantse ergastusega röntgenemissioonispektritest selgub, et LBO ja BBO boori aatomitel eksisteerib röntgeneksiton-seisund, sarnaselt BN ja B2O3. Samuti on töös leitud, et BBO suur anisotroopia ning LBO väike anisotroopia avaldub selgelt ka nende emissioonispektrites. Väitekirjas näidatakse täiendavalt, et BBO RIXS spektreid on võimalik hästi kirjeldada kasutades BBO molekulaarset anioonrühma B3O63-. Töö kõige olulisem osa on foononrelaksatsiooni uurimus tahkistes. Nimelt on mõnede ainete (BeO, BBO, Be2SiO4 jt) RIXS spektrites võimalik näha energiakao „tiiba“ elastse hajumise joone kõrval. Sarnase nähtus optilises spektripiirkonnas on tuntud ka kuuma luminestsentsi nime all. Välja on töötatud lihtne mudel, mis selgitab emissioonispektrite vastava osa kuju. Mudeliga tehtud arvutused on kooskõlas nii eksperimendi kui ka sarnaste eelnevate teoreetiliste arvutustega. Lisaks näidati, et foononrelaksatsioon ergastatud seisundi eluea jooksul võib olla oluline mõõdetud spektrite kirjeldamisel. Samuti näidati, et nähtuse tugevus on empiiriliselt hästi ennustatud elektron-foonon interaktsiooni tugevusega: ligikaudu võre relaksatsioonienergia korrutis süsteemi LO (optiline pikivõnkumise) foononi energiaga.
The present thesis focuses on soft X-ray spectroscopy of insulators, especially resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) experiments. RIXS is a relatively new technique for the study of electronic structure of matter and is especially useful for studying insulators. Unfortunately (soft X-ray) RIXS experiments are time-consuming and have to be carried out on a synchrotron. Both experimental and theoretical work on some beryllium and boron compounds including BeO, Be2SiO4, BeAl2O4, Be3Al2Si6O18, BN, BBO, LBO, La2Be2O5, Li6YB3O9, Li6GdB3O9, and Y2SiO5 has been carried out. β-BaB2O4 (BBO) and LiB3O5 (LBO) materials are widely used in many applications of non-linear optics. The origin of their high values of non-linear susceptibilities is of great interest. RIXS studies show that a boron core exciton level exists in both LBO and BBO, similarly to BN and B2O3. The strong anisotropy of BBO and the small anisotropy of LBO were also evident in their X-ray spectra. Furthermore, it was shown that the measured BBO X-ray spectra can be interpreted remarkably well using a molecular picture of the solid. The most important part of the work is the study of the phonon relaxation effect in solids. Namely, in some systems (BeO, BBO, Be2SiO4 etc.) a energy loss tail (ELT) to the elastic scattering line can be observed in the X-ray scattering spectra. A similar phenomenon in the optical region is known as hot luminescence. A simple model to account for the shape of the relevant emission band was developed. The results from that model are in agreement with experimental data and with previous theoretical work. Furthermore, a case was made that energy dissipation during the excited state lifetime may be important for the correct description of the shape of the ELT. The strength of the phonon relaxation effect was shown to be empirically well predicted by the electron-phonon interaction strength: the product between the estimated lattice relaxation energy and the energy of the LO (longitudinal optical) phonon.

Description

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.

Keywords

isolaatorid (elektr.), röntgenspektroskoopia, kuum luminestsents, insulators, X.ray spectroscopy, hot luminescence

Citation