[论文解读] 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 10

一句话总结

本研究通过温度依赖性电导率和价带光电子能谱，研究了空穴掺杂La0.9Sr0.1FeO3（LSF10）中的电子-空穴-声子相互作用及结构转变。结果表明，电导率在700 K时达到最大值100 S/cm，此后随温度升高呈现幂律下降，这是由于氧损失及正交相向菱形相转变所致，光谱权重转移表明存在强电子-声子耦合，且在357 K和573 K出现可逆转变。

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.

研究动机与目标

• 理解空穴掺杂La0.9Sr0.1FeO3（LSF10）中电子-空穴-声子相互作用与结构变化之间的相互作用。
• 通过价带光电子能谱，将电导率行为与电子结构演化相关联。
• 识别温度诱导的相变及其对电荷输运和空穴浓度的影响。
• 研究氧损失和Fe价态降低在700 K以上电导率抑制中的作用。
• 表征357 K和573 K时电导率和活化能的可逆异常，及其与结构和电子变化的关系。

提出的方法

• 在300 K至1000 K范围内对单晶LSF10样品进行了温度依赖性电导率测量。
• 利用价带光电子能谱跟踪随温度升高而变化的光谱权重分布相对于费米能级的演变。
• 采用Fe K边X射线吸收谱检测化学位移，以确认因氧损失导致的Fe氧化态变化。
• 对电导率数据进行分析，以识别活化能变化和异常，特别是357 K和573 K处的异常。
• 通过与钙钛矿相图的对比，从电导率异常推断结构相变。
• 综合电学、电子和化学数据，将电导率行为与电子结构和晶格动力学相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着温度升高，La0.9Sr0.1FeO3中的电子-空穴-声子耦合在电子结构中如何表现？
• RQ2 在700 K时观察到电导率最大值，随后在更高温度下呈现幂律下降，其原因是什么？
• RQ3 在700 K以上，LSF10中发生何种结构转变，它们如何影响电荷输运？
• RQ4 357 K和573 K时电导率和活化能的异常如何与电子和结构变化相关联？
• RQ5 氧损失和Fe价态降低在700 K以上导致空穴浓度和电导率下降中的贡献程度如何？

主要发现

• LSF10的电导率在700 K时达到最大值100 S/cm，在300–700 K范围内活化能约为375 meV。
• 在700 K以上，电导率遵循幂律下降，表明进入空穴浓度降低主导的区域。
• 在700 K以上发生从正交相到菱形相的可逆相变，与电导率下降同时发生。
• Fe K边X射线吸收谱显示显著的化学位移，证实高温下因氧损失导致Fe价态降低。
• 357 K时出现可逆电导率跃迁，573 K时极小极化子活化能略有增加，与费米能级附近价带强度急剧下降相关。
• 在300 K至700 K之间，光电子能谱中光谱权重向费米能级移动，表明极化子导电机制中存在强电子-声子耦合。