[논문 리뷰] Electron hole - phonon interaction and structural changes in La0.9Sr0.1FeO3 by temperature dependent conductivity and valence band photoemission spectros-copy

Artur Braun, J. Richter외 10명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 06.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 15인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 온도 의존 전도도 및 최외각 전자 방출 분광법을 이용하여 구멍 도핑된 La0.9Sr0.1FeO3 (LSF10)에서 전자-구멍-음향파 상호작용과 구조 전이를 조사한다. 700 K에서 100 S/cm의 최대 전도도를 기록한 후, 산소 손실과 정방형에서 삼량체 대칭으로의 상전이로 인해 이 온도 이상에서 거듭제곱 법칙에 따라 감소한다. 스펙트럼 무게 이동은 강한 전자-음향파 결합과 357 K 및 573 K에서의 가역적 전이를 나타낸다.

ABSTRACT

Electric conductivity and structural details of the hole-doped polaron conductor La0.9Sr0.1FeO3 (LSF10) are reported. The conductivity of a single crystal shows an exponential increase with temperature with a maxi-mum of 100 S/cm at 700 K and with activation energy of about 375 meV, and a decrease for higher temperatures that follows a power law. The exponential increase of the electric conductivity for 300 K {\leg} T {\leg} 700 is accompanied by a shift of spectral weight in the photoemission valence band towards the Fermi level, indicative of a strong electron-phonon interaction. The subsequent decrease of the conductivity for T > 700 K is accompanied by a reversible phase transformation from orthorhombic to rhombohedral symmetry. The decreasing conductivity for T > 700 K is likely due to the reduction of the iron due to oxygen loss causing a decreasing hole concentration, as evidenced by a substantial chemical shift in the Fe K-shell x-ray absorption spectra. Two additional fine structures in the conductivity data at 357 K, this is, a small temperature reversible jump in the conductivity, and at 573 K, a slight reversible increase of the polaron activation energy, are correlated with an exceptionally strong decrease in spectral valence band intensity near the Fermi level, and with the onset of a corresponding structural transition.

연구 동기 및 목표

• 홀 도핑된 La0.9Sr0.1FeO3 (LSF10)에서 전자-구멍-음향파 상호작용과 구조 변화 간의 상호작용을 이해하기 위해.
• 최외각 전자 방출 분광법을 통해 전기적 전도도 거동과 전자 구조 변화의 상관관계를 규명하기 위해.
• 온도에 따른 상전이와 전하 운반체 및 구멍 농도에 미치는 영향를 규명하기 위해.
• 700 K 이상에서 전도도 저하에 기여하는 산소 손실과 Fe 산화 상태 감소의 역할을 조사하기 위해.
• 357 K 및 573 K에서 관측된 전도도와 활성화 에너지의 가역적 비정상 현상이 구조적 및 전자적 변화와 어떻게 관련되어 있는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 300 K에서 1000 K까지의 온도 범위에서 단일 결정 LSF10 시료의 온도 의존 전도도 측정을 수행하였다.
• 증가하는 온도에 따라 패배 에너지 준위에 대한 스펙트럼 무게 분포의 변화를 추적하기 위해 최외각 전자 방출 분광법을 사용하였다.
• 산소 손실로 인한 Fe 산화 상태 변화를 나타내는 화학적 이동을 감지하기 위해 Fe K-edge X선 흡수 분광법을 적용하였다.
• 전도도 데이터를 분석하여 활성화 에너지 변화와 비정상 현상, 특히 357 K 및 573 K에서의 비정상 현상을 규명하였다.
• 전도도 비정상 현상과 퍼보스카이트의 알려진 상도도와의 비교를 통해 구조적 상전이를 유추하였다.
• 전기적, 전자적, 화학적 데이터를 통합하여 전도도 거동과 전자 구조 및 격자 동역학 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La0.9Sr0.1FeO3의 전자 구조에서 온도 상승에 따라 전자-구멍-음향파 결합은 어떻게 나타나는가?
• RQ2 700 K에서 관측된 전기적 전도도 최대값과 그 이후의 고온 영역에서의 거듭제곱 법칙 감소는 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ3 700 K 이상에서 LSF10에서 발생하는 구조 전이와 전하 운반체 운반에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ4 357 K 및 573 K에서 전도도와 활성화 에너지의 비정상 현상은 전자적 및 구조적 변화와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 700 K 이상에서 전도도와 구멍 농도 저하에 기여하는 산소 손실과 Fe 산화 상태 감소의 기여도는 어느 정도인가?

주요 결과

• LSF10의 전기적 전도도는 300–700 K 범위에서 약 375 meV의 활성화 에너지를 가지며, 700 K에서 최대 100 S/cm에 도달한다.
• 700 K 이상에서는 전도도가 거듭제곱 법칙에 따라 감소하여, 농도 감소에 의해 지배되는 영역으로의 전이를 나타낸다.
• 700 K 이상에서 정방형에서 삼량체 대칭으로의 가역적 상전이가 발생하며, 이는 전도도 감소와 동시에 일어난다.
• Fe K-edge X선 흡수 스펙트럼은 고온에서 산소 손실로 인한 Fe 감소를 확인하는 데 상당한 화학적 이동을 보였다.
• 357 K에서의 전도도 급증과 573 K에서의 폴라론 활성화 에너지의 약간 증가가 패배 에너지 준위 근처의 최외각 전자 밀도 감소와 관련이 있다.
• 300 K에서 700 K 사이의 전자 방출 스펙트럼에서 패배 에너지 준위 쪽으로의 스펙트럼 무게 이동은 폴라론 전도 메커니즘에서 강한 전자-음향파 결합을 나타낸다.