Kristallstrukturen zum Verständnis von Phasenübergängen in 3-dimensionalen Ladungsdichtewelle Verbindungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Ladungsdichtewellenzustand ("charge-density-wave," CDW Zustand) eines Metalls ist durch eine CDW der Valenzelektronen in Kombination mit einer Gittermodulation ("periodic lattice distortion" – PLD) mit dem gleichen Wellenvektor q charakterisiert. Fermi Surface Nesting (FSN) mit q = 2kF (kF ist der Fermi-Wellenvektor) ist verantwortlich für die CDW Phasenumwandlungen der eindimensionalen (1D) CDW Verbindungen mit großer elektrischer Anisotropie. Dreidimensionale (3D) CDW Verbindungen haben eine nur geringe Anisotropie der elektrischen Leitfähigkeit. Die Stabilisierung ihrer CDW Phase basiert auf exotischeren Mechanismen, wie der Wellenvektor-abhängigen Elektron-Phonon Kopplung (EPC). 3D CDW Verbindungen wurden durch temperaturabhängige Einkristall-Röntgenbeugungsexperimente (SXRD) als auch die Messung von Transporteigenschaften untersucht. Einkristalle der Substanzen CuV2S4, NiV2S4, Ag4SSe, K0.3MoO3 und TbTe3 wurden gezüchtet. Einkristallines Material von Er2Ir3Si5, und La3Co4Sn13 wurde durch den Kooperationspartner Prof. Srinivasan Ramakrishnan (Mumbai, Indien) zur Verfügung gestellt. Für CuV2S4 wurde die inkommensurable CDW unterhalb TCDW = 91 K bestätigt. Die zweite Phasenumwandlung bei Tc2 = 56 K konnte als eine lock-in Umwandlung, welche nur in defektfreiem Material auftritt, identifiziert werden. Unser Strukturmodell für die CDW Phase ergab, dass die CDW das Entstehen von Klustern von Vanadium-Atomen entspricht und somit ein echter 3D CDW Zustand ist. Unsere Ergebnisse erklären das unterschiedliche thermische Verhalten von CuV2S4, das in der Literatur berichtet worden ist. Er2Ir3Si5 ist orthorhombisch Ibam bei Raumtemperatur und hat eine Phasenumwandlung bei TCDW = 158 K. Mit SXRD Experimenten bei 75 K haben wir eine atypische CDW Phase entdeckt. Die CDW ist zunächst durch den inkommensurablen Modulationswellenvektor q = (0.2495(2), 0.4973(1), 0.2483(1)) bestimmt. Zusätzlich entsteht bei TCDW eine starke monokline Gitterverzerrung mit β = 91.70 Grad, während die tatsächlichen Symmetrie der CDW Phase Triklin ist. Die 1–q CDW konnte zickzack Ketten von Iridium-Atomen zugeordnet werden, und sie ist stark mit dem magnetischen Moment von Er gekoppelt. Bei Raumtemperatur ist La3Co4Sn13 kubisch Pm3n mit Gitterparameter a = 9.634 Å. Unterhalb TCDW = 160 K entsteht eine kommensurable CDW. Dafür haben wir mit SXRD die vierfachen Überstruktur mit der chiralen kubischen Raumgruppe I213 (a = 19.234 Å) bestimmt. Die CDW konnte eine Änderung des elektronischen Zustands des Co Atoms, verursacht durch eine Verzerrung der Koordination der Sn2 Atome zugeschrieben werden. Von den CDW Verbindungen NiV2S4 und NiV2Se4 konnten wir nur Einkristalle des Nickel-defizienten Materials Ni1-xV2+xS4 und Ni1-xV2+xSe4 züchten. Die chemische Unordnung (Ni1-xVx) auf der Nickel-Lage erklärt das Ausbleiben der CDW Phasenumwandlung in Einkristallen. Für Ag4SSe wurde in der Literatur ein CDW Zustand unterhalb Tc = 260 K berichtet. Wir haben diese Phasenumwandlung als eine strukturelle Phasenumwandlung identifiziert und somit zu einer wesentlichen Erweiterung des pseudo-binären (x,T)- Phasendiagramms von (Ag2S)1-x(Ag2Se)x (x = 0.5) beigetragen. Zusammen mit Prof. Srinivasan Ramakrishnan wurde ein Übersichtsartikel über die isostrukturellen Verbindungen R5T4X10, mit R = seltene Erdatom, T = Rh oder Ir, und X = Si, Ge oder Sn, geschrieben. Die Phasendiagramme und exotischen elektronischen Zustände – einschließlich CDWs, Supraleitung, Magnetismus, "heavy Fermions" und großem positiven Magnetowiderstand – wurden in dieser Arbeit diskutiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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" Unusual ground states in R5T4X10 (R = rare earth; T = Rh, Ir; and X = Si, Ge, Sn): a review." Rep. Prog. Phys. 80, 116501 (2017). (40 pp.)
S. Ramakrishnan & S. van Smaalen
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"Phase-channel dynamics reveal the role of impurities and screening in a quasione-dimensional charge-density wave system." Sci. Rep. 7, 2039 (2017)
M. D. Thomson, K. Rabia, F. Meng, M. Bykov, S. van Smaalen & H. G. Roskos
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"Unusual electronic properties of a new low-temperature phase of Ag4SSe." Phys. Rev. Mater. 2, 113606 (2018)
S. Matteppanavar, Ng. Hai An Bui, S. Ramakrishnan, M. Vagadia, A. Thamizhavel, A. Paul, U. V. Waghmare, A. Schonleber & S. van Smaalen
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"Charge density wave and lock-in transitions of CuV2S4." Phys. Rev. B 99, 195140 (2019)
S. Ramakrishnan, A. Schönleber, C. B. Hübschle, C. Eisele, A. M. Schaller, T. Rekis, Ng. Hai An Bui, F. Feulner, S. van Smaalen, B. Bag, S. Ramakrishnan, M. Tolkiehn & C. Paulmann
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"Second order structural and CDW transitions in single crystals of La3Co4Sn13." Phys. Rev. Mater. 3, 125003 (2019)
J. Welsch, S. Ramakrishnan, C. Eisele, N. van Well, A. Schönleber, S. van Smaalen, S. Matteppanavar, A. Thamizhavel, M. Tolkiehn, C. Paulmann & S. Ramakrishnan
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"Unusual charge density wave transition and absence of magnetic ordering in Er2Ir3Si5." Phys. Rev. B 101, 060101(R) (2020)
S. Ramakrishnan, A. Schönleber, T. Rekis, N. van Well, L. Noohinejad, S. van Smaalen, M. Tolkiehn, C. Paulmann, B. Bag, A. Thamizhavel, D. Pal & S. Ramakrishnan
