Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2916
Main Title: Electronic structure studies of ferro-pnictide superconductors and their parent compounds using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES)
Translated Title: Studien der elektronischen Struktur der ferro-pnictide Supraleiter und ihrer Elternteilmittel unter Verwendung der Winkel-entschlossenen Fotoemissionspektroskopie.
Author(s): Setti, Thirupathaiah
Advisor(s): Tennant, Alan
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Entdeckung von Hochtemperatursupraleitung mit einem Sprungpunkt von Tc=26K in der isenpniktidverbindung LaO1-xFxFeAs hat in der Hochtemperatur- upraleitungs-Gemeinschaft enormes Interesse hervorgerufen. Bis jetzt wurden vier Kristallstrukturen in den Eisenpniktid-Systemen gefunden, welche ochtemperatursupraleitung zeigen. Alle vier zeigen im undotierten Fall bei tieferen Temperaturen einen strukturellen Übergang, gefolgt von einem magnetischen Übergang von einer paramagnetischen metallischen Phase in eine antiferromagnetische metallische Phase. Die Neel Temperatur variiert in den verschiedenen Verbindungen. Eine Dotierung mit Ladungsträgern, eine Substitution von As durch isovalentes P oder die Anwendung von Druck unterdrückt die antiferromagnetische Ordnung und führt zu einer supraleitenden Phase. Vor kurzem wurde Supraleitung auch in Eisenchalcogeniden gefunden, welche ähnlichen normalleitenden Eigenschaften aufweisen. Da Supraleitung durch eine Instabilität des normalleitenden Zustands hervorgerufen wird, ergibt der Vergleich der normalleiten Eigenschaften mit den supraleitenden Eigenschaften wichtige Information über den supraleitenden Paarungsmechanismus. Daher ist es von großer Wichtigkeit, die elektronische Struktur dieser neuen Supraleiter zu bestimmen. Insbesondere ist es wichtig, die Fermioberflächen und die Banddispersion in der Nähe des Ferminiveaus zu vermessen um zu einem mikroskopischen Verständnis der supraleitenden Eigenschaften zu gelangen. Mit der Methode der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (ARPES) misst man die kinetische Energie von emittierten Photoelektronen als Funktion des Emissionswinkels. Auf diese Weise lassen sich die Fermioberflächen eines Kristalls vermessen, deren Topologie eng mit den physikalischen Eigenschaften der Ferropnictidsupraleiter verknüpft ist. Weiterhin ergeben ARPES Messungen nützliche Informationen über die Dispersion von Bändern, den orbitalen Charakter von Bändern, die effektiven Massen der Ladungsträger, deren Kopplung an bosonische Anregungen, sowie über die supraleitende Energielücke. In dieser Arbeit wurde die elektronische Struktur der undotierten Muttersubstanzen Ba(Eu)Fe2As2 (122) Verbindungen, sowie deren abgeleiteten supraleitenden Verbindungen mittels ARPES untersucht. Insbesondere wurden wichtige Informationen über die Nestingbedingungen zwischen den Lochtaschen im Zentrum der Brillouinzone und den Elektrontaschen am Zonenrand als Funktion der Elektronen- und Lochdotierung sowie als Funktion des chemischen Drucks (As durch P Substituierung) erhalten. Darüber hinaus wurde die Dispersion der Bänder parallel und senkrecht zu den FeAs Schichten bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl für Elektronenund Lochdotierung, also auch bei Einführung eines chemischen Drucks die Nestingbedingungen reduziert werden, was möglicherweise zum Verschwinden des antiferromagnetischen Zustands und zur Ausbildung einer supraleitenden Phase führt. Weiterhin wurden photonenenergieabhängige ARPES Messungen durchgeführt und daraus Aussagen über die Dimensionalität der elektronischen Struktur erhalten. Beim der Dotierung mit Elektronen wurde ein Übergang von einer quasi-zweidimensionalen elektronischen Struktur zu einer mehr dreidimensionalen gefunden. Umgekehrt wurde bei Lochdotierung ein Übergang in eine mehr zweidimensionale elektronische Struktur beobachtet. In beiden Fällen konnten die Änderungen in einem Model starrer Bänder verstanden werden. Bei der Substitution von As durch P konnten die Ergebnisse nicht in einem Model starrer Bänder beschrieben werden. Schließlich wurden ARPES Messungen auch an FeTe(Se) Supraleitern durchgeführt. Es wurde für diese Verbindungen eine leicht veränderte elektronische Struktur gefunden, die möglicherweise durch das unterschiedliche Kristallfeld an den Fe Atomen erklärt werden kann.
The discovery of high temperature superconductivity in the iron pnictide compound LaO1-xFxFeAs with Tc = 26K as created enormous interest in the high-Tc superconductor community. So far, four prototypes of crystal structures have been found in the Fe-pnictide family. All four show a structural deformation followed or accompanied by a magnetic transition from a high temperature paramagnetic conductor to a low temperature antiferromagnetic metal whose transition temperature TN varies between the compounds. Charge carrier doping, isovalent substitution of the As atoms or the application of pressure suppresses the antiferromagnetic spin density wave (SDW) order and leads to a superconducting phase. More recently high Tc superconductivity has been also detected in iron chalchogenides with similar normal state properties. Since superconductivity is instability of the normal state, the study of normal state electronic structure in comparison with superconducting state could reveal important information on the pairing mechanism. Therefore, it is most important to study the electronic structure of these new superconductors, i.e., to determine Fermi surfaces and band dispersions near the Fermi level at the high symmetry points in order to obtain a microscopic understanding of the superconducting properties. Using the technique angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) one measures the electrons ejected from a sample when photons impinge on it. In this way one can map the Fermi surface which provides useful information regarding the physics behind the Fermi surface topology of high Tc superconductors. Furthermore, this technique provides information on the band dispersion, the orbital character of the bands, the effective mass, the coupling to bosonic excitations, and the superconducting gap. This emphasizes the importance of studying the electronic structure of the newly discovered Fe-pnictides using ARPES. In this work we have studied the electronic structure of the parent compounds Ba(Eu)Fe2As2 (122) and their superconducting derivatives using ARPES. In this way it is possible to obtain the important information on the Fermi surface nesting conditions (between hole pockets at the Brillouin zone center and electron pockets at the zone corner) as a function of electron doping, hole doping, and isovalent substitution of P at the As site in Ba(Eu)Fe2As2. In particular, we studied in-plane and out-of-plane (with respect to the FeAs layer) band dispersions and Fermi surfaces. Our findings show that both electron and hole doping as well as isovalent substitution of the As atoms by P atoms in the parent compound Ba(Eu)Fe2As2 reduces the nesting conditions which possibly leads to the disappearance of antiferromagnetic spin density wave order and to the emergence of superconductivity. Moreover, we have performed the photon energy dependent ARPES measurements along the zone center and the zone edge to reveal the dimensionality of the electronic structure as a function of doping. We observed that due to the rigid-band nature of the electronic structure upon charge doping into the parent 122 compounds, there is a transformation of the electronic structure from quasi-2D to more 3D upon electron doping and to a more 2D nature upon hole doping. Furthermore, we observe a non-rigid-type shift of the Fermi level upon isovalent substitution of P at the As site in EuFe2As2 compound. We also performed ARPES measurements on FeTe(Se) superconductors where we observe a considerable difference in the electronic structure when compared to the 122 compounds, possibly related to a different crystal field splitting at the Fe atoms.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-31824
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3213
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2916
Exam Date: 14-Jul-2011
Issue Date: 2-Aug-2011
Date Available: 2-Aug-2011
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): ARPES
Elektronischen Struktur
Magnetismus
Supraleiter
Winkel-entschlossenen Fotoemissionspektroskopie
Angle-resolved photoemission spectroscopy
ARPES
Electronic structure
Magnetism
Superconductors
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