[論文レビュー] Electron hole - phonon interaction and structural changes in La0.9Sr0.1FeO3 by temperature dependent conductivity and valence band photoemission spectros-copy

Artur Braun, J. Richter+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2011

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 15被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、温度依存性導電率および価電子帯光電子分光法を用いて、ホールドープされたLa0.9Sr0.1FeO3（LSF10）における電子-ホール-格子振動子相互作用および構造的転移を調査した。700 Kで100 S/cmの最大導電率を示し、それ以上の温度で酸素欠損および正交晶から斜方晶への相転移に伴い、パワーロー法による減少を示した。スペクトル重みのシフトは、強い電子-格子振動子結合および357 Kおよび573 Kでの可逆的転移を示している。

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.

研究の動機と目的

• ドーピングされたLa0.9Sr0.1FeO3（LSF10）における電子-ホール-格子振動子相互作用と構造的変化の相乗的相互作用を理解すること。
• 価電子帯光電子分光法を用いて、電気的導電度の挙動と電子状態の進化を関連付けること。
• 温度誘発相転移とその電荷輸送およびホール濃度に与える影響を特定すること。
• 700 K以上の導電度低下に寄与する酸素欠損およびFe酸化状態の低下の役割を調査すること。
• 357 Kおよび573 Kでの導電度および活性化エネルギーの可逆的異常が、構造的および電子的変化とどのように関連しているかを同定すること。

提案手法

• 300 Kから1000 Kまでの温度範囲で、単結晶LSF10試料の温度依存性電気的導電度測定を実施した。
• 温度上昇に伴うフェルミ準位からのスペクトル重み分布の変化を追跡するために、価電子帯光電子分光法が用いられた。
• 酸素欠損に起因するFe酸化状態の変化を示す化学シフトを検出するために、Fe K-edge X線吸収スペクトロスコピーが用いられた。
• 導電度データを分析して、活性化エネルギーの変化および異常を特定し、特に357 Kおよび573 Kでの異常を重点的に分析した。
• 導電度の異常とペロブスカイトの既知の相図との比較により、構造的相転移を推定した。
• 電気的、電子的、化学的データを統合して、導電度挙動と電子状態および格子ダイナミクスの相関を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度上昇に伴い、La0.9Sr0.1FeO3における電子-ホール-格子振動子結合は、電子状態にどのように現れるか？
• RQ2 700 Kで観察された電気的導電度の最大値およびそれ以上の温度でのパワーロー法による減少の原因は何か？
• RQ3 700 K以上の温度でLSF10に起こる構造的転移は何か？ そして、それらは電荷輸送にどのように影響するか？
• RQ4 導電度および活性化エネルギーの357 Kおよび573 Kでの異常は、電子的および構造的変化とどのように相関しているか？
• RQ5 酸素欠損およびFe酸化状態の低下が、700 K以上の温度でホール濃度および導電度の低下にどの程度寄与しているか？

主な発見

• LSF10の電気的導電度は700 Kで最大値100 S/cmに達し、300–700 Kの範囲で活性化エネルギーは約375 meVであった。
• 700 K以上では、導電度がパワーロー法に従って減少し、ホール濃度の低下が支配的になる領域への移行を示している。
• 700 K以上で正交晶対斜方晶への可逆的相転移が発生し、導電度の低下と同時に発生した。
• Fe K-edge X線吸収スペクトルには顕著な化学シフトが観察され、高温下での酸素欠損に起因するFeの還元が確認された。
• 357 Kで観察された可逆的導電度ジャンプおよび573 Kでのポラロン活性化エネルギーのわずかな増加は、フェルミ準位近傍の価電子帯強度の急激な低下と相関していた。
• 300 Kから700 Kの間の光電子分光スペクトルにおけるスペクトル重みのフェルミ準位へのシフトは、ポラロン伝導メカニズムにおける強い電子-格子振動子結合を示している。