Thermal expansion and transport properties of low-dimensional organic conductors [Elektronische Ressource] / von Valdeci Pereira Mariano de Souza

Valdeci Pereira Mariano De Souza

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• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 25
• Langue: Deutsch
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Extrait

ThermalExpansionandTransport
PropertiesofLow Dimensional
OrganicConductors
Dissertation
zurErlangungdesDoktorgrades
derNaturwissenschaften
vorgelegtbeimFachbereichPhysik
derJohannWolfgangGoetheUniversitat¨
inFrankfurt(M)
von
ValdeciPereiraMarianodeSouza
ausMogidasCruzes-SP,Brasilien
FrankfurtamMain(2008)2
vomFachbereichPhysikderGoetheUniversitat¨ alsDissertationangenommen.
Dekan: Prof. Dr. MichaelHuth
Gutachter: Prof. Dr. MichaelLang
Prof. Dr. NaokiToyota(TohokuUniversity,Sendai-Japan)
Prof. Dr. WolfAßmus(alsVertretungvonProf. ToyotainderDisputation)
Einreichung: 04.11.2008
DatumderDisputation: 29.01.2009Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit beschaftigt¨ sich hauptsachlich¨ mit der thermischen
Ausdehnung niedrigdimensionaler organischer Leiter. Die thermische Ausdehnung
kristalliner Materialien ist ein wohlverstandener physikalischer Prozess [1]. Er beruht
auf der Temperaturabhangigkeit¨ der interatomaren Abstande,¨ welche wiederum von
der Anharmonizitat¨ der Gitterschwingungen hervorgerufen wird. Bei den hier unter-
suchten organischen Ladungstransfersalzen handelt es sich um stark korrelierte, elek
tronisch ein oder zweidimensionale Systeme, deren verschiedenartige Grundzust ande¨
durch das Wechselspiel von Spin , Ladungs und Gitterfreiheitsgraden bestimmt wer-
den. Aufgrund der Große¨ der Effekte haben sich thermische Ausdehnungsmessun
gen als eine außerst¨ nutzliche¨ Methode erwiesen, um tiefere Einblicke in die Physik
dieser Materialien zu gewinnen. Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden an einem
ultrahochauflosenden¨ Dilatometer aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Michael Lang
(PhysikalischesInstitut,GoetheUniversitat¨ -Frankfurt(M))gewonnen[2].
Systematische Untersuchungen zur thermischen Ausdehnung wurden im Rahmen
dieserArbeitanzweiMaterialklassendurchgefuhrt,¨ zumeinenanderFamiliederquasi
eindimensionalen organischen Leiter (TMTTF) X, wobei TMTTF fur¨2
Tetramethyltetrathiofulvalen steht, und X ein einwertiges Anion (X = PF , AsF oder6 6
SbF )ist,undzumanderenanderFamiliederquasi zweidimensionalenLeiter κ (ET) X,6 2
wobei ET = BEDT TTF die Abk urzung¨ fur¨ Bis(ethylen dithiolo)tetrathiofulvalen
(C S H ), und X wieder ein einwertiges Anion ist. Diese Materialien stellen Modell 10 8 8
systeme zur Erforschung elektronischer Korrelationen in einer oder zwei Dimensionen
dar. Insbesonderehatdasvollstandig¨ deuterierteSalzκ (D8 ET) Cu[N(CN) ]Br(“κ D8 2 2
Br”)Aufmerksamkeitaufsichgezogen,daessichimPhasendiagramminunmittelbarer
Nahe¨ zurS f ormigen¨ Phasengrenzliniebefindet[3],diedenmetallischenvomisolieren
¨denBereichtrennt. Diesermoglicht¨ es,denMottschenMetall Isolator(MI) Ubergang(1.
Ordnung), einesderHauptforschungsfelderaufdemGebietderstarkkorreliertenelek
tronischen Systeme, als Funktion der Temperatur zu untersuchen. Im Rahmen dieser
ArbeitwurdenzumerstenMalexperimentelleResultategewonnen,welchediewichtige
¨Rollebelegen,diedieGitterfreiheitsgradefur¨ denMott MI UbergangindenobigenMa
terialienspielen[4].
Um die Gittereffekte zu untersuchen, die bei letztgenanntem System am
¨Mott Ubergang auftreten, wurden richtungsabhangige¨ thermische Ausdehnungsmes
sungen durchgefuhrt.¨ Dazu wurde ein ultrahochauflosendes¨ kapazitives Dilatometer
(Konstruktion nach [60]) verwendet, das eine maximale relative Langenaufl¨ osung¨ von
−10Δl/l = 10 besitzt und in einem Temperaturbereich von 1,6 bis 200K betrieben wer-
den kann. Zusatzlich¨ kann ein Magnetfeld mit einer Maximalstarke¨ von 10T angelegt
werden. Die genannte Auflosung¨ ist im Allgemeinen nur bis zu einer Temperatur von
T ’40Kerreichbar,weildaruber¨ einegenaueTemperaturkontrolleaufgrundderGroße¨
der auftretenden Zeitkonstante zunehmend schwierig wird. Um externe Schwingun
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gen abzufangen, ist der Kryostat mit Vibrationsdampfern¨ ausgestattet. Die Messzelle
(fast vollstandig¨ aus hochreinem Kupfer) besteht im Wesentlichen aus einem Rahmen
und zwei parallelen Stempeln, von denen der obere in der Hohe¨ verstellbar ist, um
die Probe zwischen die beiden Stempel platzieren zu konnen.¨ Der untere Stempel, der
beweglich (uber¨ Federn) am Zellrahmen aufgehangt¨ ist, ist fest mit der oberen Platte
eines Plattenkondensators verbunden, wahr¨ end die untere Platte am Zellrahmen be
¨festigt ist. Das Messprinzip ist sehr einfach: Eine Anderung der Probenlange,¨ also
eineExpansionodereineKontraktion,beisteigenderbzw.fallenderTemperaturspiegelt
¨sich in einer Anderung des Plattenabstands des Kondensators und folglich in einer Ka
pazitats¨ ander¨ ungwider,ausderenMessungaufdieLangen¨ ander¨ ungzuruckgeschlossen¨
werden kann. Die bemerkenswerteste Eigenschaft des Dilatometers ist die bereits
−10erwahnte¨ enormhoheAuflosung¨ vonΔl/l =10 ,diefur¨ eine1mmlangeProbeeiner
absolutenAuflosung¨ von0,01Angstromentspricht. DieserWert,dervorallemdurchdie
guteAuflosung¨ derverwendetenKapazitatsbr¨ ucke¨ unddiehoheQualitat¨ derMesszelle
bedingt ist, ubertrif¨ ft den von konventionellen Methoden wie Neutronen oder R ont ¨
genstreuung um etwa funf¨ Großenor¨ dnungen, was die Messung winzig kleiner Git
terander¨ ungengestattet.
Kuhlt¨ mandasSystemκ D8 Brab, sozeigtesbeiderTemperatur T ’30K,amkri p
tischenEndpunktder1.Ordnungs Phasengrenzlinie,einekontinuierlicheVer ander¨ ung
derGitterparameter. InnerhalbderMessgenauigkeitkonntenhierkeinerleiHystereseer-
¨scheinungen beobachtet werden, was auf einen Ubergang 2. Ordnung hinweist. Eine
¨abruptere Anderung der Gitterparameter tritt bei weiterem Abkuhlen¨ bei der Temper-
¨aturT =13,6K,derMott MI Ubergangstemperatur,auf.MI
¨Diese Anderung ist entlang der a Achse (parallel zu den elektrisch leitenden ET-
Ebenen) und entlang der b Achse (senkrecht zu den Ebenen) am st arksten¨ ausgepragt,¨
wahr¨ end man der c Achse, der zweiten parallel zu den ET Ebenen liegenden
Richtung, erstaunlicherweise so gut wie keinen Effekt beobachtet. Dies ist ein Anze
¨ichen dafur¨ , dass in diesem System am Mott MI Ubergang eine Kopplung zwischen
den Elektronen und den Gitterfreiheitsgraden vorliegt. Die Anisotropie kann nicht im
RahmeneinesreinzweidimensionalenelektronischenModellserklart¨ werden,dassaus
Dimeren auf einem anisotropen Dreiecksgitter bestunde.¨ Die Hysterese in der relativen
¨Langen¨ ander¨ ung entlang der a Achse best atigt,¨ dass es sich um einen Ubergang erster
Ordnunghandelt.
EinweiteresMaterial,dasindenletztenJahrengroßeAufmerksamkeitaufsichgezo
gen hat, ist die Verbindung κ (ET) Cu (CN) [5]. Die Spins in diesem System sind in2 2 3
einem nahezu perfekt frustrierten quasi zweidimensionalen Dreiecksgitter angeordnet,
0¨das heißt fur¨ das Verhaltnis¨ der Uberlapp Integrale (H upfamplituden)¨ giltt/t ’ 1. Bis
hinzudentiefstenerreichbarenTemperaturenwurdenbislangkeinerleiAnzeicheneiner
langreichweitigenOrdnungentdeckt. AusdiesenGrunden¨ giltdasSystemalsaussicht
sreicherKandidatfur¨ dieRealisierungeinerSpin Fl ussigkeit.¨ EinVorschlagausderLit
eratur besagt, dass beiT ’ 6K ein Crossover, auch versteckte Ordnung genannt, in die
¨Spinflussigkeits Phase¨ vorliegt. Die Natur dieses Crossovers bzw. Ubergangs ist noch
umstritten. α , der thermische Ausdehnungskoeffizient entlang der c Richtung, nimmtc
mit fallender Temperatur zunachst¨ bis T ’ 30K monoton ab. Eine breite Anomaliemin
istbeiT ’150Kzusehen. OberhalbdieserTemperaturhabenY.Shimizuetal. eineZu
nahme der Kernspin Relaxationsrate festgestellt, die sie mit der thermisch aktivierten
SchwingungderEthylen EndgruppeninVerbindungbrachten[110].
EssindkeineSpureneinerglasartigenAnomaliebeiT =77-80Kzuerkennen. Dieses
Verhalten unterscheidet sich deutlich von dem in den Systemen κ (ET) Cu[N(CN) ]Cl2 2
[86], κ D8 Br (in dieser Arbeit untersucht) und κ H8 Br [86] beobachteten, bei denen5
der thermische Ausdehnungskoeffizient deutliche Signaturen bei T ’ 77K zeigt. Diesg
deutet darauf hin, dass sich die Gitterdynamik von κ (ET) Cu (CN) von der der ger-2 2 3
adegenanntenVerbindungenunterscheidet. InderTatkanndasFehleneinerglasartigen
Anomalieinκ (ET) Cu (CN) mitHilfedesModellsderrigid unitmodes(RUM)(siehe2 2 3
−[122] und die darin zitierten Referenzen) verstanden werden: Die Cu (CN) Anionen2 3
bilden ein zweidimensionales Netzwerk aus Cu(I) Ionen und verbr uckenden¨ Cyanid
Gruppen[92]. DiesstellteinenmarkantenUnterschiedzurPolymer AnordnungderAn
ioneninκ (ET) Cu[N(CN) ]Clundκ (ET) Cu[N(CN) ]Brdar. DieSchwingungsmoden2 2 2 2
der CN Gruppen sind in κ (ET) Cu (CN) demzufolge auf den Bereich zwischen be 2 2 3
nachbarten Cu(I) Ionen beschr ankt¨ und konnen¨ sich nicht entlang der Struktur aus
breiten, wodurch das Auftreten von RUM Moden unterbunden ist, und folglich keine
¨Signaturen eines glasartigen Ubergangs auftreten. Eine weitere breite Anomalie in αc
ist bei T ’ 70K sichtbar. Bei etwa dieser Temperatur zeigt auch die magnetischemax,χ
Suszeptibilitat¨ ein breites Maximum [110]. Unterhalb von T ’ 50K nimmt α nega c
tive Werte an und durchlauft¨ ein breites Minimum bei T ’ 30K, um unterhalb