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Type: Tese de Doutorado
Title: Análise vibracional e de transições de fase em dielétricos ferróicos e de baixa simetria
Authors: Rafael Mendonça Almeida
First Advisor: Roberto Luiz Moreira
First Referee: Ado Jorio de Vasconcelos
Second Referee: Nivaldo Lucio Speziali
Third Referee: Carlos William de Araujo Paschoal
metadata.dc.contributor.referee4: Kisla Prislen Felix Siqueira
Abstract: No âmbito dessa tese, propôsse a investigação das propriedades vibracionais, pelas espectroscopias Raman e no infravermelho (IV), e de transições de fase em três sistemas cristalinos, a saber: fibras monocristalinas de CaTa2O6 (CTO) e monocristais de Li3ThF7 (LTF) e montebrazita, LiAl(PO4)(OH). A investigação de tais sistemas dielétricos, de características físicas muito distintas, levou à exploração máxima das técnicas experimentais adotadas para estudálos. Em particular, essa extrapolação do comum dos procedimentos experimentais levou ao entendimento de fases estruturais não relatadas pela literatura, mas previstas por cálculos de teoria de grupos, como no caso do CTO e do LTF, e de problemas fundamentais de Análise de Dispersão no infravermelho em um cristal de baixa simetria, como na montebrazita. O primeiro deles apresenta transições de fase polimórficas e, de acordo com as condições de síntese, pode exibir três fases de temperatura ambiente: uma fase perovskita cúbica desordenada (grupo espacial Pm3m), uma fase cúbica (grupo espacial Pm3) e uma fase ortorrômbica (grupo espacial Pnma). O interesse no CTO foi pautado em dois objetivos: (i) investigar a transição cúbicoortorrômbica, Pm3 Pnma, e (ii) determinar o espectro vibracional por espectroscopia Raman e no infravermelho. A problemática experimental em torno do CTO passou primeiro pela dificuldade em obter espectros Raman e no IV de uma amostra muito pequena (0,4 mm de diâmetro x 0,8 mm de comprimento) e depois pela medição na região do IV distante (de 50 a 700 cm1). Isso foi realizado satisfatoriamente com o auxílio de um espectrômetro FTIR e de um microscópio comerciais, mas adaptados na UFMG para realizar essas medições especiais. Destacase, em especial, que o espécime de CTO estudado aqui foi a menor amostra já estudada por IV e sob análise de microscópio na região distante, que se tem conhecimento. No que diz respeito ao LTF, investigaramse, pelas técnicas de espectroscopia Raman e no infravermelho, as duas transições de fase de alta temperatura sofridas por esse material, buscando identificar o grupo espacial da fase tetragonal de mais alta temperatura. Para que isso fosse realizável foi necessário confrontar os resultados experimentais com as previsões de teoria de grupos para o número de modos normais de cada fase. A principal dificuldade experimental nesse sistema foi para obter os espectros no IV em alta temperatura, haja vista ser difícil encontrar uma janela de forno transparente à essa radiação e que suporte variações térmicas consideráveis. Quanto à montebrazita, ela se trata de um cristal triclínico que foi utilizado como modelo para estudar as propriedades fonônicas de cristais de baixa simetria (monoclínicos ou triclínicos) em diversos ângulos de polarização da luz. Tal estudo permitiu, no caso dos fônons polares, a identificação das direções dos momentos de transição, que em cristais de alta simetria encontramse ao longo dos eixos cristalográficos. Os fônons não polares, por outro lado, foram estudados a fim de verificar as regras de seleção do Raman e do infravermelho, bem como verificar a existência de possíveis defeitos. Esse trabalho na montebrazita forneceu embasamento para a realização de futuras medições espectroscópicas em Raman e no IV de sistemas de baixa simetria. Até então os procedimentos experimentais da literatura falharam nessa tentativa e deixaram um nicho em aberto na Análise de Dispersão no IV, que é felizmente preenchido no âmbito dessa tese.
Abstract: Under the scope of this thesis, it was proposed the investigation of the vibrational properties, through Raman and infrared (IR) spectroscopies, and of the phase transitions in three crystal systems, namely: single crystal fibers of CaTa2O6 (CTO), single crystals of Li3ThF7 (LTF) and montebrasite, LiAl(PO4)(OH). The investigation of such dielectric systems, with very distinct physical properties, led to the maximum exploitation of the adopted experimental techniques to study them. Particularly, this unusual exploitation of the experimental procedures led to the understanding of structural phases, which are poorly addressed in the literature, as in case of CTO and LTF, and of fundamental problems of infrared Dispersion Analysis in a lowsymmetry crystal as in montebrasite. The former of them exhibits polymorphic phase transitions and, according to synthesis conditions, it can show three roomtemperature phases: a disordered cubic perovskite phase (Pm3m space group), a cubic phase (space group Pm3) and an orthorhombic phase (space group Pnma). The interest in CTO was based on two objectives: (i) to investigate the cubicorthorhombic transition, Pm3 Pnma, and (ii) to determine the vibrational spectrum by Raman and infrared spectroscopies. The experimental issue about CTO first goes by the difficulty in obtaining Raman and IR spectra of a very small sample (0.4 mm in diameter x 0.8 mm long) and after by the measuring in the far IR region (from 50 to 700 cm1). This was successfully attained with the aid of commercial FTIR spectrometer and microscope, but adapted at the UFMG to perform these special measurements. It can be specially highlighted that the CTO specimen studied here was the smallest sample ever studied by IR and under microscope analysis in the far IR region. Regarding LTF Raman and infrared spectroscopy techniques were used to investigate two hightemperature phase transitions experienced by the material, in order to identify the space group of the highest temperature tetragonal phase. To perform this it was necessary to compare the experimental results with group theory predictions for the number of normal modes of each phase. The main experimental difficulty in this system was to get the IR spectra at high temperature, since it is difficult to find a furnace window transparent to the IR radiation and that could stand for appreciable thermal variations. Concerning montebrasite, it is a triclinic crystal that was used as a model system to study the phononic properties in lowsymmetry crystals (monoclinic or triclinic) at various angles of polarization of light. Such study permitted, in the case of polar phonons, the identification of transition moments directions, which in highsymmetry crystals lie along the crystallographic axes. The nonpolar phonons, on the other hand, were studied in order to check the Raman and infrared selection rules and also to check possible defects. This work in montebrasite provided the background to perform future Raman and IR spectroscopic measurements of lowsymmetry crystals. Until now the experimental procedures reported in the literature failed in this attempt and left an opened field in IR Dispersion Analysis, that is fortunately fulfilled under the scope of this thesis.
Subject: Espectroscopia Raman
Análise de dispersão
Espectroscopia no infravermelho
Dielétricos
Física
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9WFJ7Y
Issue Date: 27-Mar-2015
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