"Optische Spektroskopie an stark korrelierten Übergangsmetalloxiden"

"Optical Spectroscopy of Strongly Correlated Transition-Metal Oxides"

Kurzfassung

Diese Arbeit stellt die spektroskopische Untersuchung stark korrelierter Übergangsmetalloxide mit teilbesetzten d-Elektronenbändern vor. Elektronische Korrelation umfasst Auftreten und Zusammenspiel von magnetischer, Ladungs- und orbitaler Ordnung. Unter Verwendung herkömmlicher und generalisierter magneto-optischer Ellipsometrie werden die diagonalen und nichtdiagonalen Elemente des dielektrischen Tensors unabhängig voneinander bestimmt. Das zu magneto-optischen Messungen an Ferromagneten entwickelte und eingerichtete Experiment wird in theoretischer und technischer Hinsicht detailliert beschrieben. Spektrale Charakteristika der Tensorelemente werden diskutiert und einzelnen elektronischen Anregungen zugeordnet, um die entscheidenden Wechselwirkungsenergien und somit die elektronische Struktur zu ermitteln.

Die Tensorelemente der Perovskit-Manganite La_1-xA_xMn0₃, A bezeichnet hier ein zweiwertiges Alkalimetall, werden in Abhängigkeit vonTemperatur, Lochdotierung. x∈{ 0, 1/8, 0.3}, und Kationsubstitution, A ∈ { Sr, Ca}, untersucht. Die zahlreichen bandfüllungs- und temperaturabhängigen Phasenübergänge gehen mit einer deutlichen Umverteilung des optischen spektralen Gewichts einher. Die Spektren werden im Rahmen von Übergängen zwischen benachbarten Mn Ionen und O 2->Mn 3d Ladungstransferübergängen analysiert. Bei x = 0 wird die durch orbitale Ordnung hervorgerufene optische Anisotropie untersucht. Im Fall von x=1/8 führt die Ladungsordnung eine erhebliche Umverteilung des spektralen Gewichts bei niedrigen Energien und eine Feinstruktur in den magneto-optischen Spektren herbei. Eine durch die magnetischeOrdnung induzierte Umverteilung des spektralen Gewichts zwischen 0,5 und 5,5 eV kennzeichnet den Metall-Isolator-Übergang bei x = 0,3. Der Vergleich der kinetischen Energie aus Super- und Doppelaustauschmodellen mit dem spektralen Gewicht erlaubt die Unterscheidung von Übergängen zwischen benachbarten Mn Ionen und Ladungstransferübergängen. Die Analyse deutet darauf hin, dass eine Abnahme der Jahn- Teller Energie mit sinkender Temperatur den Metall-Isolator-Übergang verursacht. Der Jahn- Teller Effekt ist demzufolge entscheidend für das Auftreten der Hochtemperatur-Isolatorphase. Dies bedeutet, dass die Bandlücke der Perovskit-Manganite nicht denkonventionellen Mott-Hubbard- oder Ladungstransfer-lsolatoren entspricht. Abschätzungen der Jahn- Teller Aufspaltung Δ_JT der Hundkopplung JH der innerorbitalen Coulombabstoßung U und der Ladungstransferenergie Δ ergeben Δ_JT ≈ 0.8 eV, J_H > 0.8 eV, U > 2.9 eV, und Δ ≤ 2.2 eV.

Der Einfluss der Lochdotierung auf die optischen Eigenschaften der Perovskit-Kobaltite La_l-xSr_xCoO₃ wird bei x = 15 und 20 % studiert. Die Analyse der magneto-optischen Effekte weist darauf hin, dass elektronische Struktur und Spinpolarisation innerhalb der für diese Materialien charakteristischen ferromagnetischen Einschlüsse von x unabhängig sind. Die zu 20% dotierte Probe zeigt eine ungewöhnliche Abnahme des magneto-optischen Signals unterhalb von 100 K. Dies könnte mit einer starken Temperaturabhängigkeit der Spin-Bahn-Aufspaltung der entsprechenden elektronischen Zustände zusammenhängen.

Titel

Kurzfassung

Summary

This thesis presents the spectroscopic investigation of strongly correlated transition-metal oxides. Electronic correlations comprise the occurrence and the interplay of magnetic-, charge-, and orbital order. Moreover, the electron-lattice coupling is unusually strong in many transition-metal oxides. Particularly regarding the perovskite manganites and cobaltites, the interaction-energy scales as well as the nature of the charge gap are a matter of controversy. Here, conventional ellipsometry and generalised magneto-optical ellipsometry are employed in order to determine the diagonal and off-diagonal elements of the dielectric tensor independently. Spectral characteristics of the tensor elements are discussed and assigned to specific electronic excitations in order to reveal the relevant interaction energies and hence the electronic structure. A detailed theoretical and technical description of the experiment developed and implemented for magneto-optical measurements on ferromagnetic compounds is included.

The dependence of the tensor elements of the perovskite manganites La_1-xA_xMnO₃, where A is a divalent alkali metal, on temperature, hole doping, x ∈ {0, 1/8, 0.3}, and cation substitution, A ∈{ Sr, Ca}, is investigated. The various band-filling and temperature related phase transitions are accompanied by significant redistributions of the optical spectral weight. The spectra are analysed in terms of Mn-intersite and O 2p → Mn 3d charge-transfer excitations. At x = 0 the orbital-order related optical anisotropy is examined. At x = 1/8 charge order induces a significant low-energy spectral-weight redistribution and a fine structure in magneto-optical spectra. The metal-insulator transition at x = 0.3 is accompanied by a magnetic-order induced spectral-weight redistribution within 0.5 - 5.5 eV. Relating the kinetic energy of super- and double-exchange models to the spectral weight allows the distinction of Mn-intersite from charge-transfer excitations. The analysis suggests that the Jahn-Teller energy decreases with decreasing temperature resulting in the metal-insulator transition. The Jahn-Teller effect is therefore essential in establishing the high-temperature insulating phase. This implies that the charge gap in perovskite manganites is neither of the conventional Mott-Hubbard nor of the charge-transfer type. The Jahn-Teller energy Δ_JT, the Hund coupling J_H, the Coulomb on-site repulsion U, and the charge-transfer energy Δ are estimated to Δ_JT ≈ 0.8 eV, J_H > 0.8 eV, U > 2.9 eV, and Δ ≤ 2.2 eV.

The influence of hole doping on the optical properties of the perovskite cobaltites La_1-xSr_xCoO₃ is studied at x = 15 and 20%. The analysis of the magneto-optical effect suggests that electronic structure and spin polarisation within the ferromagnetic clusters characteristic for these compounds are independent of x. The 20% doped crystal exhibits a peculiar reduction of the magneto-optical signal below 100 K. This might be related to a strong temperature dependence of the spin-orbit splitting of the corresponding electronic states.