Universität zu Köln

Gößling, Alexander (2007). Electronic structure of Titanates and layered Manganites probed by optical spectroscopy. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Within the scope of this thesis the electronic structure of different transition-metal compounds with open d shells has been investigated by three optical techniques. We used Fourier-transform spectroscopy (energy range: 0.1-1 eV), spectroscopic ellipsometry (0.75-6 eV) and Raman scattering (0.01-0.6 eV). The focus is on Mott-Hubbard insulators, on excitations from the lower to the upper Hubbard band, on the effect of spin and orbital correlations of these transitions, and on orbital excitations. For the ellipsometry results the spectral features have been analyzed in terms of multiplets, which reflect multi-orbital Hubbard bands. The single-layered manganite LaSrMnO4 (d4) has been investigated by spectroscopic ellipsometry and Fourier-transform spectroscopy. We find a multi-peak structure which strongly depends on the polarization. We could unravel charge-transfer and Mott-Hubbard excitations by analyzing both, polarization and temperature dependence, and by comparing the spectra to a multiplet calculation. We find evidence that the first peak observed at around 2 eV is a Mott-Hubbard transition. The temperature dependence of this peak fulfills the expectations based on the nearest-neighbor spin-spin correlation function. We further investigated the hole-doped La1-xSr1+xMnO4 for x = 0.13 and 0.50. We found a redistribution of weight induced by the new d3 states in a d4 host. The titanates (d1) LaTiO3 and YTiO3 have been examined by means of Raman spectroscopy. We found an orbital excitation in both compounds at 235 meV. From the resonant enhancement of this excitation for a laser energy of 2.5 eV we concluded that the excitation has to proceed via the upper Hubbard band, i.e. it has to involve two Ti sites. The compounds YTiO3, SmTiO3, and LaTiO3 have also been investigated by means of ellipsometry. In YTiO3 we find evidence for the existence of a Mott-Hubbard excitonic resonance, i.e. a quasi-bound state inside the continuum of the Hubbard bands. We observed small changes of the spectral weight around Tc but larger changes up to at least 10 Tc. The relative change in spectral weight with temperature is too small when comparing to the spin-spin correlation function. Finally we compared the data of ferromagnetic YTiO3 to those of the antiferromagnetic compounds SmTiO3 and LaTiO3. The evolution of spectral weight with increasing ionic rare-earth radius can be qualitatively understood by the evolution of the Ti-O-Ti bond angle and the change in the (orbitally-ordered) ground state. The spectral weight in SmTiO3 shows significant changes at TN. Here the expectations from the spin-selection rules completely fail to describe the observed sign of the change and the magnitude. The latter results may indicate the spin-degree of freedom can not discussed separately without considering the orbital degree of freedom.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die elektronische Struktur von Übergangsmetalloxiden mit offenen d-Schalen untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf den Mott-Hubbard Isolatoren, die Anregungen zwischen unterem und oberem Hubbard Band, dem Effekt von Spin-Orbital-Korrelationen und orbitalen Anregungen. Hierzu wurden drei spektroskopische Techniken eingesetzt: die Fourier-Spektroskopie (Energiebereich: 0.1-1 eV), die spektroskopische Ellipsometrie (0.75-6 eV) und die Raman-Streuung (0.01-0.5 eV). Die Ergebnisse der Ellipsometrie wurden mit Hilfe von Multipletts analysiert, wodurch wir multiorbitale Hubbard Bänder identifizieren können. Das Schichtmanganat LaSrMnO4 (d4) wurde mit Hilfe der Ellipsometrie und der Fourier-Spektroskopie untersucht, wobei stark anisotrope optische Eigenschaften beobachtet werden. Diese können direkt auf die anisotrope Kristallstruktur zurückgeführt werden. Aus dem Temperatur- und Polarisationsverhalten sowie dem direkten Vergleich zu theoretischen Spektren, konnten wir Ladungs-Transfer- und Mott-Hubbard-Übergänge unterscheiden. Wir identifizieren den ersten Peak bei etwa 2 eV mit einem Mott-Hubbard-Übergang. Weiterhin haben wir lochdotiertes La1-xSr1+xMnO4 mit x = 0.13 und 0.5 untersucht. Mit steigender Dotierung erfolgt eine Umverteilung des spektralen Gewichtes, die den d3 Zuständen zugesprochen werden kann. Die Titanate (d1) LaTiO3 und YTiO3 wurden mittels Raman-Streuung untersucht1. Eine Anregung bei 235 meV konnte in beiden Systemen beobachtet werden und wird als orbitale Anregung interpretiert. Da diese Anregung bei einer Laserenergie von etwa 2.5 eV resonant verstärkt wird, muss der Anregungsprozess über das obere Hubbard-Band verlaufen, d.h. zwei Ti-Plätze sind beteiligt. Ellipsometrische Messungen sind an den oben genannten Titanaten und an SmTiO3 durchgeführt worden. In ferromagnetischem YTiO3 interpretieren wir eine Anregung bei 1.95 eV als ein Mott-Hubbard Exziton, ein quasi-gebundener Zustand innerhalb des Kontinuums. Die Temperaturabhängigkeit des spektralen Gewichtes folgt nicht oder nur teilweise den Erwartungen, die sich aus der der Spin-Spin Korrelationsfunktion ergeben. Dasselbe gilt für das ebenfalls untersuchte antiferromagnetische SmTiO3. Dieses könnte darauf hindeuten, dass der orbitale und der Spin-Freiheitsgrad nicht mehr als entkoppelt angesehen werden können, wie im Fall des Schichtmanganats LaSrMnO4. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Gößling, Alexander a.goessling@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-21379
Date:	2007
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Spektroskopie , Titanate , Manganate , Korrelationen German Spectroscopy , Titanates , Manganites , Correlations English
Date of oral exam:	14 June 2007
Referee:	Name Academic Title Grüninger, Markus Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2137