[论文解读] 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 26

一句话总结

本研究提供了直接的实验证据，表明在La0.5Sr0.5FeO3-d中进行B位掺杂Ta可降低电子空穴浓度，导致电导率降低三个数量级。通过X射线吸收谱，作者证实了能带权重从eg向t2g转移，且共价性增强，证实空穴耗尽是电输运抑制的主要机制。

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.

研究动机与目标

• 研究Ta掺杂La0.5Sr0.5FeO3-d中电导率抑制的电子起源。
• 确定在B位阳离子掺杂Ta后空穴浓度是否降低。
• 利用X射线吸收谱建立空穴形成的光谱特征。
• 将O(1s)-Fe(3d)混合态的变化与电子输运性质相关联。
• 验证eg与t2g能带强度比作为空穴形成的指标的有效性。

提出的方法

• 采用X射线吸收谱（XAS）探测Fe(2p)和O(1s)核心能级的电子结构。
• 将O(1s)-Fe(3d)混合态中eg与t2g能带的强度比作为空穴浓度的谱学指标进行分析。
• 将eg与t2g能带间能带权重分布的变化与电导率测量结果相关联。
• 通过XAS谱中预边峰和主峰特征的变化，评估初始态共价性的演变。
• 系统性地进行Fe部分替代为Ta，以调节空穴浓度。
• 结合理论解释，将谱学变化与掺杂体系中空穴态及轨道占据的关系联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ta掺杂如何影响La0.5Sr0.5FeO3-d中的空穴浓度？
• RQ2 O(1s)-Fe(3d)态中能带权重再分布与电导率之间存在何种关系？
• RQ3 eg与t2g能带强度比能否作为空穴形成的定量指标？
• RQ4 掺杂如何影响初始电子态中的共价性及O(2p)特征？
• RQ5 观察到的电导率降低三个数量级的主要机制是什么？

主要发现

• 在La0.5Sr0.5FeO3-d中部分替代Fe为Ta，使电导率降低达三个数量级。
• 空穴浓度的明显降低与观测到的电导率抑制直接相关。
• Ta掺杂后，费米能级附近的eg能带权重向t2g能带转移，表明空穴耗尽。
• 确定eg与t2g能带强度比是空穴形成的可靠谱学指标。
• XAS揭示初始态中共价性增强，且O(2p)特征增强，与空穴态影响输运行为一致。
• 本研究提供了直接的实验证据，证实空穴耗尽而非结构无序或散射，是电导率降低的主要原因。