Оптические и фотоэлектронные спектры диэлектрических оксидов меди

• Автор: Кондрашов, Евгений Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 109 с. : ил

Содержание
1 Свойства диэлектрических купратов и основные подходы к их описанию. — б -
1.1 Введение
1.2 Эксперимент и традиционное описание EELS спектров
1.3 Эксперимент и традиционное описание ARPES спектров
1.4 Заключение
2 Описание электронной структуры диэлектрических купратов в рамках кластерного подхода
2.1 Введение
2.2 Разбиение С11О2 - плоскости. Ортогонализация кластерных состояний
2.2.1 Гамильтониан СиОг-плоскости в кластерном представлении
2.2.2 Перекрывающиеся кластеры
2.2.3 Ортогонализация функций Ваннье
2.2.4 Разбиение Танаки
2.3 Энергетический спектр СиОц - кластера
2.3.1 Однодырочный кластер
2.3.2 Двухдырочный кластер
2.4 Заключение
3 Анализ эффектов матричного элемента в ARPES спектрах Sr2Cu02Cl
и Са2Си02С12 в рамках кластерного подхода
3.1 Введение
3.2 Структура фотодырки в Си02 - плоскостях
3.2.1 Эффективный вибронный гамильтониан и малые неадиабатические поляроны
3.2.2 Электронная структура поляронов в Си02 - плоскостях купратов
3.3 Выражение для фотоинтенсивности в рамках кластерного подхода
3.4 Одноэлектронные матричные элементы
3.4.1 Медный вклад
3.4.2 Кислородный вклад
3.4.3 Выражение для Мь1в(к,е)
3.4.4 Выражение для М6ц (к, е)
3.5 ARPES спектры локализованных больших поляронов
3.6 Обсуждение результатов
3.6.1 Угловая k-зависимость матричного элемента и эффекты типа ’’остаточной Ферми поверхности”
3.6.2 Поляризационная зависимость матричного элемента
3.6.3 Нарушение правил запрета для интенсивности фототока в центре
зоны Бриллюэна и другие свидетельства в пользу сложной ”не-жанг-райсовской” структуры валентного состояния фотодырки
3.7 Заключение
4 Теория экситонов и EELS спектры диэлектрических купратов. —
4.1 Введение
4.2 Обобщение теории малых экситонов Жанга-Нг

4.2.1 Типы симметрии синглетных экситонных состояний с переносом заряда в 2Б-модели
4.2.2 Анизотропия и плеохроизм экситонных фотопереходов
4.2.3 Влияние внешнего электрического поля на дипольно-запрещенные фотопереходы
4.3 Модель Си207 кластера
4.3.1 Молекулярные орбитали
4.3.2 Простая двухцентровая модель
4.4 Малые экситоны с переносом заряда в диэлектрических купратах
4.4.1 Одноцентровые малые молекулярные френкелевские экситоны
4.4.2 Матричные элементы переходов в оптике и EELS
4.5 Двухцентровые малые экситоны
4.5.1 S- и Р— подобные двухцентровые экситоны
4.5.2 Матричные элементы перехода для двухцентровых экситонов
4.6 Динамика и дисперсия малых экситонов
4.6.1 Вращательное и трансляцинное движения малых двухцентровых экситонов
4.6.2 Динамика двухцентровых экситонов в 1D и 2D купратах
4.6.3 Динамика изолированного SP экситонного дублета в 1D купратах
4.6.4 Динамика изолированного SP экситонного квартета в 2D купратах
4.7 Сравнительный анализ оптических и EELS спектров в 0D, 1D и 2D диэлектрических купратах
4.8 Заключение
5 Заключение

Введение.
Медь-кислородные высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) обладают целым рядом необычных свойств, обусловленных сложным взаимодействием электронных, спиновых и решеточных степеней свободы и существенно отличающих их от обычных металлических сверхпроводников. Несмотря на интенсивные усилия исследователей уже в течение 15-ти лет, однозначная теоретическая интерпретация ряда физических явлений и самого механизма сверхпроводимости до сих пор не найдена. Более того, многие свойства родительских диэлектрических составов остаются загадочными и по сей день. К таким свойствам, в первую очередь, можно отнести поглощение в среднем ИК-диапазоне, природу края фундаментального поглощения, фотоиндуцированное поглощение и данные фотоэмиссии углового разрешения (ARPES) вблизи уровня Ферми. Природа низкоэнергетических возбуждений в родительских квазидвумерных кристаллах, таких как Ьа2СиО4, Sr2Cu02Cl2, и их одномерных аналогов типа Sr2Cu02, Li2Cu02, Sr2Cu02 представляет один из наиболее спорных вопросов как в проблеме ВТСП, так и в физике сильнокоррелированных оксидов вообще.
В связи с этим представляется актуальным развитие теоретического подхода, в котором предполагается детальный квантовохимический учет конкретного кристаллического и электронного строения диэлектрических купратов и попытки, в рамках данного подхода, единым образом описать оптические и фотоэлектронные спектры различных диэлектрическихкупратов. Именно этим вопросам посвящена данная диссертация.
Полуколичественное квантовохимическое приближение, основанное на полном СиЫ— 02р наборе состояний Си04-кластера с разумным выбором одночастичных и корреляционных параметров применяется для последовательного описания электрон-дырочных возбуждений в диэлектрических купратах. Делается расширение модели малых экситонов с переносом заряда Жанга-Нга с введением одноцентровых (внутрицентровых) френкеле-подобных и двухцентровых (межцентровых) экситонов.
Обсуждается важная роль, которую играют эффекты матричного элемента как в оптических, так и в EELS спектрах.В последнем случае мы получем различную зависимость от волнового вектора для внутрицентровых и межцентровых переходов.
В работе представлен сравнительный анализ спектров оптического поглощения и EELS для 1D (Sr2Cu02, Ы2Си02) и 2D (La2CuO4, Sr2Cu02Cl2, УВа2СщО&) диэлектрических купратов.
Различные экспериментальные данные и теоретический анализ показывают, что что природа щели с переносом заряда в диэлектрических родительских составах определяется квазивырождением локализованного внутрицентрового возбуждения и межцентровых экситонов с переносом заряда. Первое возбуждение связано с переходом дырки big —> е„(тг) из Cu3d02p гибридного big ос dx2-y2 состояния в чисто кислородное 02ртт состояние, локализованное на СиО4 плакете, в то время как последнее обусловлено переходом big —> big с переносом заряда между соседними плакетами.
Модельный анализ экспериментальных EELS спектров в различных OD, 1D и 2D диэлектрических купратах позволяет обнаружить различные общие особенности и показать характерное проявление низкой размерности. Так, сравнительный анализ экспериментальных данных по спектрам оптического поглощения и EELS для 1D системы Sr2Cu02 and 2D Sr2Cu02Cl2 убедительно подтверждает теоретическое предсказание интенсивности перехода с переносом заряда big —> big в два раза большей для 1D систем по сравнению с 2D.
В общем, экспериментальные данные подтверждают законность теоретической кон-

Таблица 6: Значения коэффициентов ОДт) (т - радиус-вектор ближайшей ячейки).
(г,з) ^щ(^) (еиц,еии)
(а2д,а2д) 0.014')-0.265^ (1,1) £./
0а2д, Ь2д) ±№ + С)/8 (Д2) ±£,/
(Ь2д,Ъ2д) -0.265^ + 0.01^ (2,2) £К/А
Таблица 7: Значения коэффициентов ХМ)1/(г — г')
{еиц,еи1>) ХиЛ°) ХмДФ)
(1,1) 1 0.
(1,2) 0 ±0.
(2,2) 1 0.
2.2.4 Разбиение Танаки.
Если же перейти в (3) к (а, 7г)-представлению кислородных орбиталей для каждого медного узла, то в силу того, что кластер СиО4 не является элементарной ячейкой, все состояния на соседних кластерах ортогонализовать не удается. Очевидно, что это является следствием переполненности базиса по сравнению с исходным базисом (для элементарной ячейки Си02). Однако, как подчеркивалось выше, было бы желательно в явном виде в теории иметь полный набор однодырочных состояний СиСф-кластера. Для этого можно воспользоваться разбиением Си02-плоскости, предложенное в работе [122], которое показано на рис.9(1). Для этого мы вводим две ’’подрешетки” - А и В. При этом будем считать, что в узлах подрешетки А находятся кластеры Сн04, а узлах подрешетки В - ионы Си. Таким образом, кислородные орбитали будут центрированы лишь на подрешетке А. Подобное разбиение СЧ/02-плоскости можно назвать ионно-кластерным. Как видно, структура решетки существенно изменяется - удваивается постоянная решетки, элементарной ячейкой теперь является СипОт. Как известно, при увеличении периода квадратной решетки вдвое площадь первой зоны Бриллюэна уменьшается вчетверо [67]. Так, при увеличении объема ячейки в Ь раз группа трансляций ДД) исходной решетки заменяется ее подгруппой т(//ь), а Ь трансляций Та (представителей смежных классов в разложении ) отно-
сят к точечной группе кристалла С?. Следовательно, введение расширенной ’’элементарной” ячейки связано с изменением факторизации (разбиения на подгруппы) федоровской группы Ф — Т^’Ю = ТД/С сь; при этом пространственная симметрия кристалла в целом остается неизменной - понижение трансляционной симметрии компенсируется расширением точечной группы й.
В базисе а- и л-орбиталей гамильтониан принимает вид
7^0 = е<7 53 ^д(Ил)^7,ЛКа) + £* XI 7Г7,сг(Ка)тГ7,<г(К-д) +
Пд,<47 ЙА.оуу
б<* 53 фЦИтОФДКд) ± б,* 53 ^(®-в)й<г(Ив)) (29)
К-Л,<т Пв,«