Universität zu Köln

Roth, Holger (2008). Single crystal growth and electron spectroscopy of d1-systems. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

One of the most intriguing aspects of transition metal oxides is the wide variety and richness of their physical properties. Microscopic understanding of the unconventional behavior of this class of materials is at the heart of modern solid state physics research. The many body nature of the problem forms a true intellectual challenge requiring modern experimental and theoretical methods. There is a need for well-defined materials which can serve as model systems. The class of the RETiO3 (RE = rare earth) materials forms in this context a very interesting 'playground' for the quantitative study of the properties and excitation spectra of correlated oxides. It has the relatively simple perovskite crystal structure, and the Ti ions have (formally) only one electron in their 3d shell so that complications related to atomic multiplet effects can be avoided. Yet, the orbital degeneracy together with the presence of a small band gap lead to a number of interesting physics which are then subject of a flurry of detailed experimental and theoretical studies. Efforts are being made for a quantitative analysis as to test the accuracy of various theoretical approaches. Here we report on a detailed experimental study of the electronic structure of the RETiO3 system. The study aims to address one of the long standing topics in theoretical solid state physics, namely the single-particle spectral weight distribution in Mott-Hubbard systems in the vicinity of the metal-insulator transition. In view of the existing discussions in the literature, it turned out to be crucial to use well defined samples: we have to grow titanate single crystals with well defined stoichiometry and doping. This activity in fact forms the basis of this thesis work and much effort is also put into the characterization of the crystals using various methods including x-ray and neutron diffraction, as well as magnetic, transport and thermodynamic measurements. We have used photoelectron spectroscopy to investigate the electronic structure of the RETiO3 system. Although many photoemission studies have been reported in the literature, it is also realized more and more that those published results may not be representative for the material due to the extreme surface sensitivity of the particular photoemission technique used in those studies. This is important since the electronic structure of the surface is very different from the bulk, especially for strongly correlated systems. Essential aspect of the work is therefore to carefully optimize the conditions for this type of experiments as to make sure that the spectra obtained are truely representative for the bulk material. Only in this manner we can do a critical and quantitative evaluation of the various advanced many-body models currently available trying to describe the excitation spectra of strongly correlated systems. The main result of our spectroscopic study is as follows: we have utilized bulk-sensitive x-ray photoelectron spectroscopy to study the valence band spectral weight distribution of d1 Mott insulators LaTiO3 and YTiO3. We observed appreciable differences in the spectra, reflecting the difference in the one-electron band width W. We also found that the Ti 3d spectra of both materials are much broader than the occupied 3d bands calculated by band theories. The mean-field inclusion of the Hubbard U explains the band gap but produces even narrower bands, indicating the complete breakdown of standard mean-field theories in describing excitation spectra. We associate the observed spectra with the propagation of a hole in a system with surprisingly well suppressed charge fluctuations thereby showing characteristics of a t-J model. Upon doping we observe the creation of the new state at the Fermi level which is accompanied by a rapid decrease of the spectral intensity at about 1 eV binding energy. This rapid transfer of spectral weight characterizes the correlated nature of this material, and distinguishes this material clearly from ordinary band semiconductors. Surprisingly, we find also a large difference in the speed of transfer of spectral weight when comparing doping using excess oxygen or using Sr substitution. LDA+DMFT calculations suggest that this could be related to the fact that the Sr material has a smaller crystal field splitting in the t2g levels than the oxygen excess sample, yielding an effectively larger degeneracy and thus a smaller effective U versus W ratio.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Einkristallzucht und Elektronenspektroskopie von d1-Systemen German
Translated abstract:	Abstract Language Eine der faszinierendsten Aspekte der Übergangsmetalloxide sind ihre vielfältigen Eigenschaften und reichhaltigen physikalischen Eigenschaften. Sie zeigen sehr häufig ungewöhnliche Eigenschaften wie der Kollosale Magnetwiderstand, Supraleitung, Spinübergange, magnetooptische Aktivität sowie spinnabhängigen Transport. Viele dieser Eigenschaften können auf das korrelierte Verhalten der Elektronen zurückgeführt werden. Es ergibt sich ein starkes Zusammenwirken der vielzahligen mikroskopischen Wechselwirkungen, welches häufig zu einer Fülle von konkurrierenden electronischen Phasen führt, und so sehr empfindlich schon auf geringste Änderungen der chemischen und physikalischen Randbedingungen reagiert. Diese Eigenschaft macht macht die Übergangsmetalloxide wertvollen Klasse für die Entwicklung von intelligenten Materialien mit neuen funktionellen Eigenschaften. Das mikroscopische Verständnis des unkonventionellen Verhaltens dieser Materialklasse ist das Herzstück der modernen Festkörperforschung. Der Vielteilchen-Charakter des Problems stellt eine intellektuelle Herausforderung dar, die moderne experimentelle und theoretische Methoden benötigt. Es gibt eine Bedarf an gut definierten Materialien, welche als Modellsysteme dienen können. Die Klasse der RETiO3 (RE = rare earth) Verbindungen bietet in diesem Zusammenhang ein sehr interessantes Spielfeld zur quantitativen Studie der Eigenschaften und der Anregungsspektren der korrelierten Oxide. Sie hat besitzt eine relativ einfachen Perowskitstruktur, und jedes Ti-Ion besitzt formal nur ein Elektron in der 3d Schale wodurch sich keine komplizierten atomaren Multipletteffekte ergeben. Erst die orbitale Entartung zusammen mit einer kleinen Bandlücke führt zu einer reichhaltigen und interessanten Physik, welche das Objekt unzähliger experimentellen und theoretischen Studien ist. Große Anstrengungen wurden für eine quantitative Analyse unternommen, um verschiedene theoretische Annäherungen zu testen. Hier stellen wir ein detaillierte experimentelle Studie der elektronischen Struktur des RETiO3 Systems vor. Das Ziel dieser Untersuchung ist es, einen lange austhehenden Gesichtspunkt der theoretischen Festkörperphysik zu präsentieren, nämlich die Einteilchen- Verteilung des spektralen Gewichts im Mott-Hubbard System in der nähe des Metall-Isolator-Übergangs. Bei der Betrachtung der Literatur zu diesem Thema, stellt sich heraus, wie entscheidend die Verwendung von gut definierten Proben ist: Deshalb haben wir zunächst Titanat Einkristalle mit einer gut definierten Stöchiometrie bzw. Dotierungsgrad gezüchtet. Diese Aufgabe stellt die Grundlage dieser Arbeit dar, bei der ebenfalls große Sorgfalt zur Charakterisierung der Kristalle aufgebracht wurde. Hierbei wurden verschiedene Methoden wie Röntgen- und Neutronendiffraktion oder Messungen der magnetischen thermischen und Transporteigenschaften angewendet. Zur Untersuchung der elektronischen Struktur haben wir Photoelektronspektroskopie verwendet. Obwohl schon viele Photoemissionsstudien in der Literatur bekannt sind, zeigte sich mehr und mehr, dass die veröffentlichten Ergebnisse nicht represäntativ für das Material waren, da verwendeten Photoemmisionstechniken äußerst oberflächenempfindlich sind. Dies ist sehr wesentlich, da sich die elektronische Struktur der Oberfläche deutlich von den der des Bulks unterscheidet, insbesondere bei den korrelierten Elektronensystemen. Ein wesentlich Aspekt dieser Arbeit war deshalb die gewissenhafte Optimierung der Bedingungen für diese Art von Experimenten, um sicherzustellen, dass die aufgenommenen Spektren auch wirklich represäntativ für die Bulkeigenschaften sind. Nur auf diesem Wege kann eine kritische und quantitative Prüfung der unterschiedlichen aktuelle Vielteilchenmodelle, die versuchen, das Anregungsspektrum der korrelierten Elektronensysteme zu beschreiben, erfolgen. Das Hauptergebnis unserer spektroskopischen Studie ist das folgende: Wir haben bulksensitive Röntgen Photoelektronenspektroskopie betrieben, um die spektrale Gewichtsverteilung des Valenzbandes der d1 Mottisolatoren LaTiO3 und YTiO3 zu untersuchen. Dabei beobachten wir merkliche Unterschiede in den Spektren, was die unterschiedliche Bandbreite des Einelektronenbandes widerspiegelt. Wir stellen dabei fest, dass das Ti 3d Spektrum der beiden Materialien deutlich größer ist, als dies Bandtheorien ergeben. Der Meanfield-Ansatz des Hubbard U beschreibt zwar die Bandlücke, erzeugt aber viel zu schmale Bänder, was einen kompletten Zusammenbruch der normalen Meanfield-Theorien zur Beschreibung des Anregungsspektrums bedeutet. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Roth, Holger holger_roth@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-23355
Date:	2008
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 Einkristallzucht , korellierte Elektronensysteme , Photoemmision German single crystal growth , correlated electrons , photo emission spectroscopy English
Date of oral exam:	14 February 2008
Referee:	Name Academic Title Tjeng, Liu Hao Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2335