Hochdruckuntersuchungen am Halbleiter-Metall-Übergang von Fe1-xCoxSi1-yGey
Final Report Abstract
Das Projekt "Hochdruckuntersuchungen am Halbleiter-Metall-Übergang von Fe1-xCoxSi1-yGey" umfasste Untersuchungen zur elektronischen Struktur von FeSi und Fe1-CoxSi und den Übergang vom Halbleiter zum Metall. Die Triarc-Czochralski Methode erwies sich als gute Methode um Einkristalle aus FeSi und Fe1-xCoxSi herzustellen. So sind für FeSi nur 0,17% magnetischen Verunreinigungen zu beobachten. Für Legierungen die Ge enthielten stellte sich heraus, dass diese Art der Kristallzucht ungeeignet ist. Es lassen sich aufgrund von Entmischung in der Schmelze mit dieser Methode keine Einkristalle herstellen. Die elektronische Struktur von FeSi ist kontrovers diskutiert worden. Es gab Vorschläge, dass es sich um ein System handelt, welches ähnlich zu Kondo-lsolatoren wie CeNiSn ist. Da aber Fe im Gegensatz zu Ce keine besetzten 4f-Zustände besitzt, wäre dies ein Prototyp für stark korrelierte 3d-Systeme, und dies machte diese Betrachtungsweise sehr reizvoll. Es gab auch Vorschläge, FeSi in einem Bandmodell zu beschreiben. Dies würde bedeuten, dass ein Einteilchen-Bild ausreicht und keine lokalen, stark korrelierten Zustände notwendig sind. Eine direkte Methode zur Untersuchung der elektronischen Struktur ist die Photoemission. Es konnte eine Bandlücke von 28 meV bei FeSi gezeigt werden. Das Valenzband zeigt keine Anzeichen für die Flanke einer Kondo-Resonanz oberhalb der Fermienergie, die im Falle eines Kondo-lsolators zu erwarten wäre. Die Ergebnisse der Photoemission lassen sich sehr gut mit DFT-Rechnungen beschreiben. Nur eine Renormalisierung aufgrund von einem Selbstenergiebeitrag ist notwendig, um die passenden Energieeigenwerte zu erhalten, d.h. es gibt eine Korrelation zwischen den Fe 3d Elektronen, die das Valenzband bilden. Diese sind aber nicht zu vergleichen mit lokalisierten Zuständen, die für einen Kondo-lsolator typisch wären. Es wurde für magnetische Untersuchungen eine Druckzelle hergestellt, die es erlaubt, druckabhängige Messungen in einem SQUID-Magnetometer durchzuführen. Es wurden dabei Drücke bis zu 0,7 GPa erzeugt. Die Veränderungen in der magnetischen Suszeptibilität lassen sich in einem Bandmodell erklären, bei dem der Druck zu einer Verbreiterung des Valenzbandes führt. Anhand ellipsometrischer Messungen kann man gut das Schließen der Bandlücke mit der Temperatur sowie der Dotierung von FeSi mit Co und eine Elektron-Phonon-Kopplung beobachten. Auch hier ergibt sich eine gute Übereinstimmung, wenn man die experimentellen Ergebnisse mit DFTRechnungen vergleicht. Das spektrale Gewicht verschiebt sich jedoch nicht innerhalb eines Energiebereichs der für einen normalen Halbleiter zu erwarten wäre. Dies wurde bisher immer als Anzeichen für starke Korrelation, wie sie in einem Kondo-lsolator vorhanden sein sollte gedeutet Bei der Raman-Spektroskopie sind alle 9 zu erwartenden Moden bei FeSi, Fe1-xCoxSi und CoSi zu beobachten. Anhand der E-Mode bei 180 cm-1 wurde eine starke Elektron-Phonon Kopplung in FeSi nachgewiesen. Es konnte auch gezeigt werden, dass sich die Fermienergie mit steigender Temperatur in Richtung des Valenzbandes verändert. Aus den temperatur- und druckabhängigen Messungen an FeSi wurde der Grüneisenparameter der E-Mode bei 180 cm-1 bestimmt. Dieser ist mit Werten von 2,52 (temperaturabhängigke Messungen) und 1,48 (druckabhängigke Messungen) deutlich geringer als bei stark korrelierten Schwere Fermionen Systemen und deutet daher auf kein Kondo-Isolator-Verhalten hin. Auch hier ergeben sich gute Übereinstimmungen mit DFT-Rechnungen, weswegen eine Beschreibung in einem itineranten Bild angemessen scheint.
Publications
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- D. Menzel, D. Zur, I. Jursic, J. Schoenes, L Patthey, M. Neef, K. Doll: "Full gap opening in single crystalline Fe1-xCoxSi evidenced by high-resolution photoemission" International Conference on Magnetism (ICM) 20.-25. August 2006, Kyoto
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- D. Zur, I. Jursic, D. Menzel, L Patthey and J. Schoenes "High-resolution Fermi-Edge and energy dependent photoemission spectra of Fei1-xCoxSi" OPG Frühjahrstagung 2006
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- D. Menzel, D. Zur, M. Marutzky, J. Schoenes, L Patthey, A. Boris, P. Popovich, K. Doll, M. Neef "Photoemission and ellipsometric spectroscopy on Fe1-xCoxSi single crystals using synchrotron radiation" 15th International Conference on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics (VUV) 29. Juli - 3. August 2007, Berlin
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- Dirk Menzel, Pavlo Popovich, Alexander Boris, Matthias Neef, Klaus Doll and Joachim Schoenes "lonicity of Fe1-xCoxSi single crystals from far-infrared spectroscopic ellipsometry" DPG Frühjahrstagung 2007
- Ivan Jursic, Dirk Menzel, Pavlo Popovich, Alexander Boris and Joachim Schoenes "Optical investigations on Fe1-xCoxSi single crystals using Raman spectroscopy under high pressure and far-infrared ellipsometry" DPG Frühjahrstagung 2007
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- S.V. Grigoriev, S.V Maleyev, V.A. Dyadkin, D. Menzel, J. Schoenes, H. Eckerlebe "Principal interactions in the magnetic system Fe1-xCoxSi: Magnetic structure and critical temperature by neutron diffraction and SQUID measurements" Phys. Rev. B 76, 092407 (2007)
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- Dirk Menzel, Paul Popovich, Alexander Boris, Ana Maria Racu and Joachim Schoenes "Spectra I-weight analysis from ellipsometric spectroscopy on FeSi single crystals" DPG Frühjahrstagung 2008
- Ivan Jursic, Ana Maria Racu, Dirk Menzel and Joachim Schoenes "Raman study of FeSi under high pressures up to 15 GPa" DPG Frühjahrstagung 2008
- D. Menzel, M. Finke, T. Donig, A.-M. Racu, J. Schoenes "Magnetic properties under pressure and Raman investigations of i single crystals" Physica B: Condensed Matter 378-380. 718 (2006)
- D. Zur, D. Menzel, I. Jursic, J. Schoenes, L Patthey, M. Neef, K. Doll, G. Zwicknagl "Absence of Kondo resonance in high-resolution photoemission spectra of monocrystalline Phys. Rev. B 75, 165103 (2007)
- Dirk Menzel, Markus Klein, Damian Zur, Klaus Doll, Friedrich Reinert and Joachim Schoenes "FeSi - Kondo insulator or itinerant system?" DPG Frühjahrstagung 2008
