Physical properties of double perovskites La_1tn2_1tn-_1tnxSr_1tnxCoIrO_1tn6 (0≤x≤2) [Elektronische Ressource] / von Narendirakumar Narayanan

Dingdong

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 80
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 18 Mo

Extrait

Physical properties of double perovskites
La Sr CoIrO (0≤x≤2) 2-x x 6

Vom Fachbereich Material- und Geowissenschaften
der Technischen Universität Darmstadt



zur Erlangung des akademischen Grades des
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigte Dissertation

von
Dipl.-Ing. Narendirakumar Narayanan,
aus Colombo, Sri Lanka

Referent: Prof. Dr. rer. nat. Lambert Alff
Koreferent: Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Helmut Ehrenberg

Tag der Einreichung: 10. September 2010
Tag der mündlichen Prüfung: 24. September 2010

Darmstadt 2010
D17

















































Die vorliegende Arbeit wurde zwischen Oktober 2007 und August 2010 unter der Leitung von
Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Helmut Ehrenberg und unter der Betreuung von Dr. Daria Mikhailova
im Institut für komplexe Materialien am IFW Dresden und im Fachgebiet Strukturforschung
des Fachbereiches Material- und Geowissenschaften der Technischen Universität Darmstadt
durchgeführt. Danksagung
An dieser Stelle möchte ich mich ganz herzlich bedanken bei
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Hartmut Fuess für das Ermöglichen dieser Arbeit.
Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Helmut Ehrenberg für die freundliche Aufnahme in seine
Arbeitsgruppe, für die gesamte Betreuung und für das entgegengebrachte Vertrauen.
Prof. Dr. rer. nat. Lambert Alff für die Bereitschaft zum Referenten dieser Arbeit.
Dr. Daria Mikhailova für die exzellente Betreuung und für die immer positiven Impulse.
Univ. Prof. Dr. phil. Karlheinz Schwarz für die freundliche Aufnahme in seine
Arbeitsgruppe für zwei Monate und für seine Bereitschaft als externer Prüfer zu fungieren.
Ao. Univ. Prof. Dr. techn. Peter Blaha und Dr. Robert Laskowski für die exzellente
Betreuung während meines Aufenthalts in Wien.
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Eckert für die freundliche Aufnahme in sein Institut.
Dr. Anatoliy Senyshyn für die Neutronenpulverdiffraktometrie.
Dr. Dmytro Trots, mit dessen Hilfe ich die Messungen am Synchrotron durchgeführt habe.
Dr.-Ing. Björn Schwarz für zahlreiche Diskussionen und Hilfe bezüglich der
Magnetisierungsmesstechnik und für die konstruktiven Diskussionen über Quantenmechanik
und Philosophie.
Dr. Natasha Kuratieva für die Indizierung der Einkristalle.
Ulrike Nitzsche für die Hilfe bezüglich des Computerclusters am IFW Dresden.
Der ganzen Arbeitsgruppe für das angenehme Arbeitsklima.
Meiner Familie, die mich mein Leben lang unterstützen und immer für mich da sind.


Contents

1. Introduction and aim of the work 1

2. Theoretical background 5
2.1 The many-body problem and the density functional theory (DFT) 5
2.1.1 The many-body Hamiltonian 5
2.1.2 Born-Oppenheimer approximation 5
2.1.3 Jellium solid 6
2.1.4 Hartree-approximation and Hartree-Fock-approximation 6
2.1.5 Exchange and correlation holes 8
2.1.6 Thomas-Fermi-Dirac approximation 9
2.1.7 Density functional theory 9
2.1.7.1 Hohenberg-Kohn theorems 9
2.1.7.2 Kohn-Sham equations 10
2.1.7.3 The exchange-correlation functional 13
2.1.7.4 Bandstructure methods 15
2.1.7.5 Basis set 17
2.1.7.6 Linearized augmented plane waves method (LAPW) and the 17
augmented plane wave plus local orbital method (APW+lo)
2.1.7.7 Scalar relativistic approximation and the inclusion of the 23
spin-orbit coupling (SOC) in a second variational step
2.1.7.8 Non-collinear magnetism (NCM) and its implementation in 26
WIENNCM
2.1.7.9 Highly correlated electron systems and concepts beyond the 30
LSDA/GGA approximation: LSDA/GGA+U approximation
2.1.7.9.1 Theoretical background 30
2.1.7.9.2 LSDA/GGA+U correction term V 34
2.1.7.9.3 Fluctuation form of LSDA/GGA+U: 35
Around the mean field method (AMF)
2.1.7.9.4 The fully localized limit (FLL) 36
2.2 Double perovskites 37
2.3 Determination of the oxidation state (valence state) of the ions in Oxides 42
2.3.1 Introduction 42
i 2.3.2 Bond valence sum (BVS) 42
2.3.3 Bader charges 43
2.4 Electronic conduction in insulators 44
2.5 Magnetic interactions in double perovskites 46

3. Experimental methods 54
3.1 Powder diffraction methods 54
3.1.1 Introduction 54
3.1.2 Laboratory x-ray 58
3.1.3 Synchrotron powder diffraction 58
3.1.4 Neutrondiffraction 59
3.1.5 Rietveld refinement 59
3.2 MPMS: Magnetic Property Measurement System 64
3.2.1 Theoretical background and basics of the instrument 64
3.2.2 Experimental procedure 69
3.3 PPMS: Physical Property Measurement System 70
3.3.1 Introduction 70
3.3.2 Resistivity option and the van der Pauw method 71
3.3.3 Heat capacity option 75
3.3.3.1 Introduction 75
3.3.3.2 Theoretical models used in the relaxation method 77
3.3.3.2.1 The simple model (single τ model) 77
3.3.3.2.2 Two τ model 77
3.3.3.3 Experimental procedure 78
3.B DFT calculation procedure 81

4. Synthesis of the compounds 84
4.1 Polycrystalline samples 84
4.2 Single crystals of La CoIrO 85 2 6

5. Results and discussion 86
5.1 Crystal structures of La Sr CoIrO 86 2-x x 6
5.1.1 Room temperature crystal structures 86
5.1.2 Temperature dependence of crystal structures 92
ii 5.2 Temperature and field dependence of magnetizations 96
5.3 Magnetic structures of La Sr CoIrO 99 2-x x 6
5.4 Specific heat capacity 110
5.5 Transport properties of La Sr CoIrO 112 2-x x 6
5.6 Characterization of La CoIrO single crystals 117 2 6
5.7 Electronic structures 122
5.7.1 Collinear calculations 122
5.7.2 Non collinear calculations (NCM calculations) 129
5.8 The La Ca CoIrO (0≤x≤0.75) system 135 2-x x 6
5.8.1 Crystal structures at room temperature and at 4K 135
5.8.2 Magnetic properties of La Ca CoIrO 138 2-x x 6
5.8.3 Transport properties of La Ca CoIrO 142 2-x x 6

6. Summary 145

7. Outlook 147

8. Appendix 148
Appendix 1: X-ray and neutron diffraction patterns with calculated intensities 148
Appendix 2: Atomic positions at room temperature 157
Appendix 3: Self-consistant procedure (SCF) flow chart and important input files 160
for WIEN2K and WIENNCM for La CoIrO 2 6

9. Bibliography 166


iii 1. Introduction and aim of the work

/
In recent years double perovskites A BB O (A= alkali metal, alkaline earth metal or 2 6
/lanthanides) with transition metals at the BB sites have been extensively studied due to their
interesting physical properties such as colossal magnetoresistance, higher Curie-temperatures,
metal-insulator transitions, different magnetic orderings and structural and magnetic phase
transitions. Especially the double perovskites with Curie temperatures above room
/temperature are of practical relevance in spintronic applications. Concerning the 3d/5d BB
/
combination, most of the research was focussed on B =W, Re and Os based double
perovskites with ferromagnetic ordering temperatures T above room temperature [1-6]. Less C
attention was diverted towards the Ir-based ones, although the ability of Ir to exist in different
oxidation states and the the effects of electron correlation and spin-orbit coupling on the
spatially more extended 5d-orbitals should result in a rich variety of physical properties and
elucidate the structure-property relationships in this interesting class of compounds. Examples
fo