[论文解读] Direct observation of the mass renormalization in SrVO$_3$ by angle resolved photoemission spectroscopy

T. Yoshida, A. Ino+5 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Apr 4, 2005

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 4

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）直接观测了三维莫特-哈伯德体系SrVO3中的质量再正则化效应。结果发现，费米能级附近电子有效质量增强了1.8±0.2倍，与热力学测量结果一致，并证实所观测到的色散关系源自体电子态，尽管存在表面贡献，从而解决了钙钛矿氧化物中电子关联效应长期存在的歧义。

ABSTRACT

We have performed an angle-resolved photoemission study of the three-dimensional perovskite-type SrVO$_3$. Observed spectral weight distribution of the coherent part in the momentum space shows cylindrical Fermi surfaces consisting of the V 3$d$ $t_{2g}$ orbitals as predicted by local-density-approximation (LDA) band-structure calculation. The observed energy dispersion shows a moderately enhanced effective mass compared to the LDA results, corresponding to the effective mass enhancement seen in the thermodynamic properties. Contributions from the bulk and surface electronic structures to the observed spectra are discussed based on model calculations.

研究动机与目标

• 通过角分辨光电子能谱（ARPES）直接观测SrVO3中的能带色散和费米面，以探究电子关联效应。
• 解决以往ARPES数据中关于SrVO3表面与体相贡献的相互矛盾解释。
• 确定所观测到的谱学特征是否源自体电子态或表面电子态，特别是在费米能级附近。
• 量化SrVO3中有效质量的增强程度，并与电子比热系数γ等热力学测量结果进行比较。
• 通过研究莫特-哈伯德体系中的能带再正则化，评估电子关联在三维过渡金属氧化物中的作用。

提出的方法

• 在斯坦福同步辐射光源（Stanford Synchrotron Radiation Laboratory）利用24 eV和28.5 eV的光子能量进行角分辨光电子能谱（ARPES）测量，以探测SrVO3的电子结构。
• 在15 K的超高真空条件下进行测量，以最小化表面损伤和热展宽效应。
• 通过费米能级处的谱重映射重建费米面，数据沿布里渊区内的多个动量切片采集。
• 采用半无限紧束缚格林函数形式理论计算体相和表面电子结构，以区分表面贡献。
• 从测量的能带色散中提取费米速度，并与局域密度近似（LDA）结果比较，以确定有效质量增强因子。
• 分析能量分布曲线（EDCs）和动量分布曲线（MDCs）的二阶导数，以识别色散特征并提取能带色散。

实验结果

研究问题

• RQ1 SrVO3中所观测到的谱学特征的真实来源是体电子态还是表面电子态？
• RQ2 SrVO3的dxy能带中电子有效质量的增强程度有多大？其与热力学测量结果相比如何？
• RQ3 表面态在三维钙钛矿氧化物（如SrVO3）的ARPES谱解释中起到何种作用？
• RQ4 为何以往的ARPES研究在SrVO3的谱重转移和质量增强方面存在相互矛盾的结果？
• RQ5 尽管ARPES对表面敏感，它能否可靠地探测三维莫特-哈伯德体系中的能带再正则化效应？

主要发现

• SrVO3中dxy能带的观测能量色散显示，其有效质量相比LDA能带结构计算增强了1.8±0.2倍。
• 有效质量增强因子m*/mb ≈ 1.8与先前热力学测量中由电子比热系数γ推导出的1.98值高度一致。
• dxy能带的色散在kx-ky平面内呈各向同性且二维特征，与体电子态一致，经表面投影态密度的模型计算进一步证实。
• 在费米能级附近相干部分，表面贡献相对较小，但在非相干部分（特别是约-1.5 eV处）贡献显著。
• ARPES谱中未观测到能带折叠或重构表面态，排除了表面重构作为主要谱学特征来源的可能性。
• 本研究证实，当结合表面效应的理论建模时，ARPES可为三维关联氧化物中的能带再正则化提供直接且体敏感的信息。