Estrutura eletrônica e transições de fase metal-isolante em óxidos de vanádio

Abstract

Resumo: A estrutura eletrônica e transições de fase metal-isolante de óxidos de vanádio (SrVO3, CaVO3, LaVO3 e YVO3) são estudadas aqui. O propósito é mostrar uma nova interpretação dos espectros que seja coerente com as mudanças através das transições de fase. As técnicas experimentais utilizadas são a espectroscopia de fotoemissão de raios-X (PES) e de absorção de raios-X (XAS). Os espectros são nterpretados com o auxílio de cálculos de modelo de cluster, de estrutura de bandas e de multipletos atômicos. A presença de satélites de transferência de carga no espectro de PES de nível interno mostrou que estes óxidos de vanádio não podem ser classificados no regime de Mott-Hubbard. Além disso, foi observada uma semelhança, através da transição de fase metal-isolante, no comportamento entre os espectros de banda de valência e de nível interno. De fato, as estruturas dos espectros e suas mudanças são determinadas pelos canais de blindagem presentes nas fases metálica ou isolante. O peso espectral calculado revelou que as flutuações de carga coerentes dominam o espectro na região do nível de Fermi e dão o caráter metálico aos compostos SrVO3 e CaVO3. O desaparecimento dessa flutuação de carga e troca pela blindagem de Mott-Hubbard nos compostos LaVO3 e YVO3 é responsável pela abertura do band gap e consequente caráter isolante. Além disso, os efeitos de correlação são, de fato, importantes para a formação da região ocupada da estrutura eletrônica (picos coerente e incoerente). Por outro lado, a região desocupada da estrutura eletrônica é dominada por efeitos de troca e de campo cristalino (subbandas t2g e eg de spins majoritário e minoritário). O espectro de condutividade óptica, obtido através da convolução entre os estados de remoção e de adição, mostrou a necessidade da inclusão dos estados de oxigênio e dos feitos de troca e de campo cristalino para uma comparação e interpretação correta dos resultados experimentais. Além disso, observou-se uma correlação, na região de transferência de carga, entre os espectros ópticos de banda de valência e de nível interno, a qual parece ser extensível a outros óxidos de metais de transição. A comparação com os espectros de XAS corroboraram o fato de que efeitos de correlação não são dominantes nos estados desocupados, além de mostrar novamente a importância da inclusão dos estados de oxigênio para a descrição da estrutura eletrônica destes sistemas.

Abstract: The electronic structure and metal-insulator transitions in vanadium oxides (SrVO3, CaVO3, LaVO3 and YVO3) are studied here. The purpose is to show a new interpretation to the spectra which is coherent with the changes across the metal-insulator transition. The main experimental techniques are the X-ray photoemission (PES) and X-ray absorption (XAS) spectroscopies. The spectra are interpreted with cluster model, band structure and atomic multiplet calculations. The presence of charge-transfer satellites in the core-level PES spectra showed that these vanadium oxides cannot be classified in the Mott-Hubbard regime. Further, the valence band and core-level spectra presented a similar behavior across the metalinsulator transition. In fact, the structures in the spectra and their changes are determined by the different screening channels present in the metallic or insulating phases. The calculated spectral weight showed that the coherent fluctuations dominate the spectra at the Fermi level and give the metallic character to the SrVO3 and CaVO3 compounds. The vanishing of this charge fluctuation and the replacement by the Mott-Hubbard screening in the LaVO3 and YVO3 systems is ultimately responsible for the opening of a band gap and the insulating character. Further, the correlation effects are, indeed, important to the occupied electronic structure (coherent and incoherent peaks). On the other hand, the unoccupied electronic structure is dominated by exchange and crystal field effects (t2g and eg sub-bands of majority and minority spins). The optical conductivity spectrum was obtained by convoluting the removal and addition states. It showed that the oxygen states, as well as the crystal field and exchange effects are necessary to correctly compare and interpret the experimental results. Further, a correlation at the charge-transfer region of the core-level and valence band optical spectra was observed, which could be extended to other transition metal oxides. The comparison with the XAS spectra showed again the fact that correlation effects are not dominant in the unoccupied spectra, as well as the importance of the oxygen states to the description of the electronic structure of these systems.