Propiedades electrónicas de nuevos materiales: aleaciones para nanoelectrónica, superconductores basados en Fe y basados en BiS_2.
En esta tesis hemos investigado propiedades electrónicas de nuevos materiales de interés por sus aplicaciones tecnológicas, a partir de modelos simplificados para su descripción y el uso de técnicas analíticas apropiadas para tratar los efectos de desorden y de correlaciones. La tesis tiene dos p...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2016
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/546/1/1Querales_Flores.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | En esta tesis hemos investigado propiedades electrónicas de nuevos materiales de interés por
sus aplicaciones tecnológicas, a partir de modelos simplificados para su descripción y el uso de
técnicas analíticas apropiadas para tratar los efectos de desorden y de correlaciones. La tesis
tiene dos partes. En la primera investigamos cómo incorporar defectos no-sustitucionales complejos
en cálculos de estructura electrónica, enfocándonos en las aleaciones semiconductoras del
grupo IV, Ge_1−xSn_x y Ge_1−x−ySi_xSn_y, con importantes aplicaciones en opto- y nanoelectrónica
y en celdas fotovoltaicas. En la segunda parte, estudiamos el estado normal de materiales
superconductores no convencionales descubiertos recientemente, como los ferropníctidos y los
superconductores basados en BiS_2, además del magnetotransporte fuertemente anisotrópico en
el estado normal de calcogenuros de hierro β-FeSe.
En las aleaciones binarias Ge_1−xSn_x, la existencia de defectos no-sustitucionales complejos
de Sn ( denotados β-Sn), en que un átomo de Sn intersticial ocupa el centro de una divacancia
de Ge, fue confirmada experimentalmente [Decoster et al., Phys. Rev. B 81, 155204 (2010)]
luego del estudio teórico donde había sido predicha su existencia a partir de una concentración
crítica de Sn [Ventura et al., Phys. Rev. B 79, 155202 (2009)]. En la primera parte de
esta tesis buscamos una buena aproximación para representar los defectos no-sustitucionales
en términos de un sistema sustitucional equivalente, y realizar el cálculo de estructura electrónica de Ge_1−xSn_x incluyendo tanto los defectos α-Sn sustitucionales como los defectos β-Sn
no-sustitucionales. Mediante un cálculo analítico basado en funciones de Green (ver Apéndice
A), determinamos un equivalente sustitucional para β-Sn con el cual pasamos a representar la
aleación multiorbital real en términos de una aleación efectiva compuesta de dos componentes
puramente sustitucionales, cuya estructura electrónica calculamos realizando una extensión del
formalismo que combina la aproximación de enlace fuerte (TB) con la aproximación de cristal
virtual (VCA) propuesto originalmente para la aleación puramente sustitucional Ge_1−xSn_x por
Jenkins y Dow [Phys. Rev. B 36, 7994 (1987)], usando 20 orbitales TB sp”3s* para elementos del grupo IV combinado con la VCA. Nuestros resultados (ver Anexos I y II) describen dos
transiciones para la brecha de energía (gap) fundamental de Ge_1−xSn_x en función de la concentración total de Sn: primero, de gap fundamental indirecto a directo, y luego la transición
de metalización en que se cierra el gap a concentraciones de Sn mayores. Nuestros resultados
muestran que los defectos β-Sn limitan el rango de concentraciones de Sn correspondiente a
la fase con gap directo de la aleación binaria, que justamente interesa para sus aplicaciones
previstas en optoelectrónica.
Las aleaciones ternarias Ge_1− x−ySi_xSn_ y pueden prepararse en un amplio rango de concentraciones
y con un desacoplamiento completo entre el parámetro de red y la estructura electrónica, posibilitando de esta manera el ajuste en forma independiente de las características
de su gap de energía. Para su uso previsto en celdas fotovoltaicas de alta eficiencia para aplicaciones
satelitales, era de interés determinar la naturaleza del gap de energía fundamental
de Ge_1− x−ySi_xSn_ y. En esta tesis, hemos realizado el primer cálculo de estructura electrónica
para aleaciones ternarias Ge_1− x−ySi_xSn_ y (ver Anexo III), a partir de otra extensión del cálculo
TB+VCA para la aleación binaria sustitucional Ge_1−xSn_x a la aleación ternaria sustitucional.
Nuestros resultados confirmaron expectativas e indicaciones experimentales de que un gap de
energía de alrededor de 1 eV, es ciertamente alcanzable con estas aleaciones ternarias, como
requerido para la cuarta capa que se planea añadir a las heteroestructuras semiconductoras que
componen las celdas fotovoltaicas de tres junturas con el récord de eficiencia actual, empleadas
en satélites. Para aleaciones ternarias con el mismo parámetro de red que el de Ge, encontramos
además que el gap de energía es indirecto, con una dependencia composicional no lineal debido
a la presencia de dos mínimos en la banda de conducción, que compiten.
Para nuestro estudio de los superconductores ferropníctidos, empleamos un modelo microscópico mínimo que incluye las dos bandas efectivas para describir las propiedades electrónicas a bajas energías propuestas por Raghu et al.[ Phys. Rev. B 77, 220503R (2008)], a
las que agregamos correlaciones electrónicas locales intra- e interorbitales, relacionadas con los
orbitales 3d del hierro. En este trabajo de tesis, nos hemos enfocado en las propiedades electrónicas del estado normal paramagnético, y en particular la descripción de la dependencia con
el dopaje y con la temperatura de las propiedades espectrales de estos compuestos en diferentes
regiones de la primera zona de Brillouin (ver Anexo IV). Para ello, calculamos las funciones de
Green de Zubarev dependientes de temperatura correspondientes a los electrones en los dos orbitales
efectivos correlacionados, desacoplando el sistema de ecuaciones de movimiento obtenido
a segundo orden, con una aproximación que nos posibilitó resolverlo. Las funciones de Green y
autoenergıas halladas en segundo orden de perturbaciones en las interacciones, con dependencia
del momento cristalino, dopaje y temperatura nos han permitido no sólo describir resultados
experimentales existentes para la densidad espectral y la densidad total, por ej. de fotoemisión
resuelta en ángulo (ARPES). Pudimos describir el efecto asimétrico observado para el dopaje
con electrones y con huecos, en acuerdo cuantitativo con los corrimientos del potencial químico
encontrados experimentalmente, así como también una redistribución del peso espectral alrededor
del nivel de Fermi en función de temperatura, similar a lo observado experimentalmente en
puntos de simetría de la zona de Brillouin. Además, hemos podido predecir una dependencia no
v
trivial de las propiedades espectrales con la temperatura, originada por efectos de temperatura
en la renormalización debido a correlaciones electrónicas. En particular, explorando en distintas
regiones de la zona de Brillouin la evolución con temperatura de la autoenergía dependiente de
momento cristalino obtenida en nuestra aproximación, pudimos identificar explícitamente puntos
de la zona de Brillouin, no explorados aún experimentalmente, donde resultan amplificados
los efectos de la temperatura sobre la renormalización. Estas predicciones podrían ser verificadas
experimentalmente, realizando experimentos de ARPES dependientes de temperatura en
los puntos de la zona de Brillouin identificados.
A continuación, para describir los primeros reportes experimentales de las características
de la estructura electrónica del estado normal de los superconductores LaO_1−xF_xBiS_2 descubiertos
en 2012, extendimos el modelo microscópico con dos orbitales efectivos correlacionados
y el tratamiento analítico que desarrollamos para describir ferropníctidos a estos materiales.
Como punto de partida tomamos las dos bandas efectivas propuestas recientemente por H.
Usui et al.[Phys. Rev. B 86, 220501 (2012)], y añadimos correlaciones electrónicas intra- e
interorbitales relacionadas a orbitales Bi-(py ,px) y S-(py ,px). Determinamos la densidad espectral
y la densidad de estados total para LaO_1−xF_xBiS_2, enfocándonos en la descripción de
la dependencia con momento cristalino y dopaje, además de la predicción de la dependencia
con temperatura de las propiedades espectrales. Nuestros resultados indican que la inclusión
de correlaciones electrónicas moderadas, mejora sustancialmente la descripción de los relativamente
pocos resultados experimentales de ARPES y SXPES disponibles para esta familia de
compuestos. Además nuestro tratamiento analítico nos permitió calcular la densidad espectral
alrededor del segundo mínimo relevante de la banda de conducción, y predecir la dependencia
con la temperatura de las propiedades espectrales en diferentes puntos de la zona de Brillouin, lo
cual esperamos sea verificado en futuros experimentos de ARPES dependientes de temperatura.
En la última etapa de la tesis, junto a colegas del Lab. de Bajas Temperaturas del Centro
Atómico Bariloche, estudiamos propiedades de magnetotransporte de los compuestos Fe_xSe y el
efecto de la transición estructural, logrando describir teóricamente los resultados de experimentos
en monocristales en el estado normal. Adaptando el modelo microscópico de dos bandas
efectivas con correlaciones electrónicas empleado previamente para estudiar ferropníctidos, calculamos
la conductividad eléctrica y el coeficiente de Hall en presencia de un campo magnético,
usando el formalismo de Kubo. Con parámetros del modelo en el rango relevante para estos
compuestos y la dependencia en temperatura medida para los parámetros de red, pudimos
describir cuantitativamente el efecto de la transición de fase estructural sobre la resistividad
eléctrica en el plano ab formado por los Fe, y la magnetoresistencia medida en presencia de un
campo magnético paralelo al eje c. Describimos el coeficiente de Hall en función de temperatura
en presencia de campo magnético, mostrando que es relevante la inclusión de correlaciones
electrónicas moderadas. Finalmente, nuestro estudio confirmó el efecto de la transición de
vi RESUMEN
fase estructural sobre la estructura electrónica, habiendo encontrado que la deformación de
la red cristalina modifica la estructura de bandas induciendo separaciones entre las mismas,
comparables con las halladas en experimentos de ARPES.
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