In dieser Doktorarbeit wird der Hochtemperatur-Supraleiter Bi-2212 auf seine elektronische Struktur hin untersucht. Für diesen Zweck wurden Röntgen- Absorptionsspektroskopie (XAS) und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) verwendet. Zusätzlich wurden mittels Dichtefunktionaltheorie theoretische Trends in der elektronischen Struktur aufgezeigt. Zu Beginn wurde die Temperaturabhängigkeit der Löcher-Konzentration (nH) von nahezu optimal dotierten und geringfügig unterdotierten Einkristallen mittels XAS untersucht. Die Messungen der Temperaturabhängigkeit von nH mit XAS zeigen ein komplett anderes Verhalten als das, welches aus dem Hall-Effekt hergeleitet wurde. Hinzu kommt, dass es unmöglich ist, die Formel von Gor''kov und Teitel''baum, d.h. mit einem konstanten und einem Aktivierungsterm, an die Daten anzupassen. Als Lösungsansatz kommen Magnonen in Frage. Zusätzlich wurde die Polarisationsabhängigkeit der Löcher- Konzentration mittels XAS gemessen, die zeigt, dass in den Kupferoxidschichten die Löcher offenbar offenbar inhomogen verteilt sind. Solch ein Verhalten wird für die isotrope Struktur der Bi-2212-Kristalle nicht erwartet und kann nur schwer erklärt werden. Möglicherweise sind die, die Symmetrie brechenden magnetischen Eigenschaften wie magnetische Streifen die Antwort. Um zusätzliche experimentelle Informationen zu erhalten, wurde darüber hinaus noch die Temperatur- und Polarisationsabhängigkeit der Bi-2212-Einkristalle mittels ARPES studiert. Insbesondere die ''Peak-Dip-Hump''-Emissionsstruktur an der Fermi-Energie wurde gemesssen, die sich am M-Punkt der Brillouin-Zone befindet. Die Ergebnisse zeigen, dass der scharfe Peak nahe der Fermi-Kante eine deutliche Polarisations- und Temperaturabhängigkeit aufweist, welche bei der Pseudolücken-Temperatur T* und nicht bei der Sprungtemperatur TC verschwindet. Die Polarisationsabhängigkeit an den vier M-Punkten der Brillouin-Zone hat gezeigt, dass eine Symmetrieachse im 45°-Winkel zur Cu-O-Cu-Richtung existiert. Dies könnte ebenfalls mit magnetischer Streifenbildung erklärt werden. Des Weiteren wurde das beobachtete Versagen der Dipol-Näherung zur Beschreibung der Spektren bei einer Polarisation senkrecht zur Spiegelebene erörtert. Andererseits ist die Berechnung von Materieleigenschaften mittels der Dichtefunktionaltheorie ein sehr aktiver Bereich der Festkörperphysik geworden. Nachdem meine DFT-Rechnungen auf der Basis des MBJ-Potentials sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen des ternären Halbleiters ZrSexS2-x und die LiZrSexS2-x –Verbindung erzielt haben, habe ich diese auch zur Unterstützung der experimentellen Supraleiterdaten angewendet. Die elektronischen Eigenschaften von CaCuO2 und des Bi-2212-Kuprats wurden mittels DFT auf der Basis von GGA und GGA+U berechnet, wobei der Hubbard-U-Term mit einer „abinitio“-Methode berechnet wurde. Die Ergebnisse ergaben, dass nur Rechnungen auf der Basis von MBJ+U einen antiferromagnetischen Grundzustand für die CaCuO2- Verbindung lieferten, während alle Funktionale versagten, den antiferromagnetischen Grundzustand für das Bi-2212-Kuprat zu finden. / In this PhD work the electronic structure of high-TC Bi-2212 cuprates is investigated. For this purpose x-ray absorption spectroscopy (XAS) and angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) are used. Additionally, density functional theory is applied for making theoretical trends of the electronic structure evident. At first, the temperature dependence of the hole density (nH) by XAS on nearly optimum and slightly underdoped single crystals is studied. The measurements of the temperature dependence of nH by XAS show completely different behavior as that derived from Hall effect. Moreover, fitting our data by the Gor’kov and Teitel’baum formula, i.e. assuming a constant term and an activation term, was impossible. For solving the problem a contribution of magnons is suggested. Additionally, the polarization dependence of the hole density has been measured by XAS showing that an inhomogeneity of holes in the copper oxide planes may exist. Such a behavior is not expected for the isotropic structure of the Bi(Pb)-2212 crystals and was only hardly to be explained. Possibly, magnetic symmetry breaking properties like e.g. magnetic stripes might give an answer. In order to derive additional experimental information, the temperature and polarization dependence of the electronic structure of the CuO2 planes of Bi(Pb)-2212 single crystals has been studied by ARPES. In particular, the so-called peak-dip-hump emission structure close to the Fermi energy has been measured, which is located at the M point of the Brillouin zone. The results show that the sharp emission structure close to the Fermi edge reveals a distinct polarization dependence and it vanishes at the pseudogap temperature T* and not at the critical temperature TC. The polarization dependence at the four M points of the Brillouin zone has revealed that there exists a symmetry line along to 45?? from the Cu-O-Cu direction. This could also be due to stripe formation. Additionally, the observed failure of the dipole approximation to describe the spectra at normal polarization with respect to the mirror plane is discussed. On the other hand, the calculation of material properties by density functional theory has become a very active area of research in condensed matter physics. Therefore, after my calculations based on DFT by the MBJ potential have revealed good agreement with experimental data for the ternary semiconductors ZrSexS2-x and the LiZrSexS2-x compound I applied it for a support of the experimental superconductor data. The electronic properties of CaCuO2 and the Bi-2212 cuprate have been calculated by DFT based on GGA and GGA+U where the Hubbard U term has been calculated by an ab initio method. The results reveal that only calculations based on MBJ+U lead to an anti-ferromagnetic ground state for the CaCuO2 compound while all functionals fail to find an antiferromagnetic ground state for Bi-2212.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/17402 |
| Date | 03 June 2013 |
| Creators | Ghafari, Aliakbar |
| Contributors | Manzke, Recardo, Nolting, Wolfgang, Knupfer, Martin |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | Namensnennung - Keine kommerzielle Nutzung - Keine Bearbeitung, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/ |
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