[論文レビュー] Direct evidence for electron hole depletion in La0.5Sr0.5FeO3-d upon B-site cation doping

Artur Braun, Defne Bayraktar+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2011

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 26被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、La0.5Sr0.5FeO3-dにおけるTaのBサイトドーピングが、電子正孔濃度を低下させ、電気伝導度が3桁低下することを直接実験的に示した。X線吸収スペクトロスコピーテクニックを用いて、フェルミ準拠に近いegバンドからのスペクトルウェイトの移動と、結合性の増加が観察され、輸送性の抑制の主なメカニズムとして正孔の枯渇が確認された。

ABSTRACT

Partial substitution of Fe by Ta in the hole-doped La0.5Sr0.5FeO3 decreases the electric conductivity by up to three orders of magnitude. This decrease is in immediate correlation with a decrease of the electron hole concentration and a shift of the spectral weight within the O(1s)-Fe(3d) mixed states from eg bands near the Fermi energy to t2g bands. Corresponding differences in the Fe(2p) and O(1s) X-ray absorption spectra reveals formation of states with increased covalency in the initial state and states which contain O(2p) character, and that hole states are responsible for transport changes in the material. The intensity ratio of eg and t2g bands appears to be a spectral indicator for hole formation.

研究の動機と目的

• TaドーピングされたLa0.5Sr0.5FeO3-dにおける伝導度低下の電子的起源を調査すること。
• BサイトカチオンとしてTaをドーピングすることにより、正孔濃度が低下するかどうかを特定すること。
• X線吸収スペクトロスコピーテクニックを用いて、正孔形成のスペクトル的シグネチャを確立すること。
• O(1s)-Fe(3d)混合状態の変化と電子輸送特性を関連付けること。
• egおよびt2gバンド強度比が正孔形成の指標として果たす役割を検証すること。

提案手法

• Fe(2p)およびO(1s)コア準位の電子構造を調べるためにX線吸収スペクトロスコピーテクニック（XAS）を用いた。
• O(1s)-Fe(3d)混合状態におけるegおよびt2gバンドの強度比を、正孔濃度のスペクトル的指標として分析した。
• egおよびt2gバンド間のスペクトルウェイト分布の変化を、電気伝導度測定と関連付けた。
• XASスペクトルにおける前駆帯およびメインエッジ特徴の変化を用いて、初期状態における結合性の変化を評価した。
• 正孔濃度を制御するために、Feの部分的置換としてTaのドーピングを体系的に行った。
• 理論的解釈を通じて、ドーピング系における正孔状態および軌道占有数の変化とスペクトル変化を結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TaドーピングはLa0.5Sr0.5FeO3-dにおける正孔濃度にどのように影響するか？
• RQ2 O(1s)-Fe(3d)状態におけるスペクトルウェイト再分配と電気伝導度の関係は何か？
• RQ3 egおよびt2gバンドの強度比は、正孔形成の定量的指標として利用可能か？
• RQ4 ドーピングは初期電子状態における結合性およびO(2p)成分にどのように影響するか？
• RQ5 観察された電気伝導度の3桁低下の背後にある主なメカニズムは何か？

主な発見

• La0.5Sr0.5FeO3-dにおけるFeの部分的置換としてのTaドーピングにより、電気伝導度が最大3桁低下した。
• 直接的な相関関係から、観察された伝導度低下と正孔濃度の明確な低下が示された。
• Taドーピングにより、フェルミ準拠に近いegバンドからのスペクトルウェイトがt2gバンドへ移動し、正孔の枯渇が示された。
• egバンドとt2gバンドの強度比が、正孔形成の信頼できるスペクトル的指標であることが同定された。
• XASにより、初期状態における結合性の増加とO(2p)成分の増加が観察され、正孔状態が輸送に影響を与えていることと整合的であった。
• 本研究は、正孔の枯渇が、不純物や散乱によるものではなく、伝導度低下の主な原因であることを直接的実験的証明した。