Spectroscopic ellipsometry of spin-chain cuprates and LaNiO3-based heterostructures

Abstract

We have performed a comprehensive ellipsometric study of the charge excitations across the optical gap in high-quality LiCuVO4, NaCu2O2, Li2CuO2, CuGeO3 and alpha-CuV2O6 single crystals. In all these compounds, the exciton states associated with the Zhang-Rice singlet state were assigned. We observed weak structures centered at 2.15 and 2.95 eV in LiCuVO4, 2.15 and 2.65 eV in NaCu2O2, 3.05 and 3.7 eV in CuGeO3, 1.75 and 2.15 eV in alpha-CuV2O6, and 3.7 eV in Li2CuO2, which form the absorption edge along the CuO chains. These bands were identified as exciton doublets, originating from the long-range Coulomb interaction between the nearestand the next-nearest-neighbour Cu sites along the chains. We also studied the temperature dependencies of the observed excitonic bands. Since their evolution with temperature follows the spin correlations within the chains, they are observable only at low temperatures. These results have not only persuasively demonstrated the formation of the Mott-Hubbard excitons, but also quantified characteristic energy scales, such as the local Hubbard U (2.55 - 4.3 eV) and long-range Coulomb V (0.8 - 1.6 eV) interactions.

A comprehensive optical study was performed on [LaNiO3 ]N – [LaAlO3 ]N (N = 2, 4) superlattices grown on both SrTiO3 and LaSrAlO4 substrates, which induce tensile and compressive strain in the overlayer, respectively. We have shown that superlattices with LaNiO3 layers as thin as two unit cells undergo a charge-ordering transition as a function of decreasing temperature. By showing that the N = 4 counterparts remain uniformly metallic and paramagnetic at all temperatures, we have demonstrated full dimensionality control of the collective instability. The phase behavior is qualitatively similar to the one observed in bulk RNiO3 with small radius of the R anions, which results from bandwidth narrowing due to rotation of NiO6 octahedra, but the transition temperature is substantially lower, probably because of the reduced dimensionality. The higher propensity towards charge and spin order in the two-dimensional systems probably reflects enhanced nesting of the LaNiO3 Fermi surface. We have found, that the infrared conductivity is higher and the transition temperatures are lower in the N = 2 superlattices grown under tensile strain. The more metallic response of these superlattices, compared to those grown under compressive strain, may reflect a widening of the Ni3d bandwidth and/or an enhanced occupation of the Ni dx2-y2 orbital polarized parallel to the LaNiO3 layers. This indicates further opportunities for orbital control of the collective phase behavior of the nickelates, which may enable experimental tests of theories predicting high temperature superconductivity or multiferroicity in these systems.

Mittels Ellipsometrie wurden umfassende Untersuchungen der Ladungsanregungen über die Band-Lücke hinweg an LiCuVO4, NaCu2O2, Li2CuO2, CuGeO3 und alpha-CuV2O6-Einkristallen hoher Güte durchgeführt. In allen Verbindungen konnten die Exziton-Zustände, die vom Zhang-Rice-Singulett-Zustand herrühren, bestimmt werden. Es wurden schwache Strukturen bei 2.15 und 2.95 eV in LiCuVO4, 2.15 und 2.65 eV in NaCu2O2, 3.05 und 3.7 eV in CuGeO3, 1.75 und 2.15 eV in alpha-CuV2O6 und 3.7 eV in Li2CuO2 identifiziert, die die Absorptionskante entlang der CuO-Ketten bilden. Diese Bänder wurden als Exziton-Dupletts identifiziert, deren Ursprung in der langreichweitigen Wechselwirkung zwischen nächsten und übernächstbenachbarten Kupferatomen in den Ketten liegt. Des Weiteren wurde das Temperaturverhalten dieser exzitonischen Bänder untersucht. Da die Temperaturabhängigkeit den Spin-Korrelationen innerhalb der Ketten folgt, werden diese erst bei tiefen Temperaturen beobachtbar. Diese Ergebnisse zeigen nicht nur überzeugend die Bildung der Mott-Hubbard-Exzitonen, sondern quantifizieren auch die charakteristischen Energieskalen, wie lokale Hubbard U- (2.55 – 4.3 eV) und langreichweitige Coulomb V -Wechselwirkungen (0.8 – 1.6 eV).

Ausführliche optische Untersuchungen wurden an [LaNiO3]N – [LaAlO3]N (N = 2, 4) Übergittern durchgeführt. Als Substrate dienten SrTiO3 und LaSrAlO4, was im ersten Fall zu Zug- im zweiten zu Druckspannungen im aufgewachsenen Film führt. Es konnte gezeigt werden, dass ¨Ubergitter mit LaNiO3 mit einer Dicke von 2 Einheitszellen (N = 2) bei sinkender Temperatur einen Ladungsordnungs-Phasenübergang durchlaufen. Für N = 4 bleibt das Material im vermessenen Temperaturbereich hingegen metallisch und paramagnetisch. Dies zeigt, dass eine volle dimensionale Kontrolle der kollektiven Instabilität gewährleistet ist. Dieses Phasenverhalten ist qualitativ ähnlich dem von Bulk-RNiO3, wobei R ein Anion mit kleinem Radius bezeichnet, wo es durch die Verkleinerung der Bandbreite aufgrund der Verkippung der NiO6-Oktaeder hervorgerufen wird. Die Übergangstemperatur jedoch ist im vorliegenden System, wohl aufgrund der reduzierten Dimensionalität, erheblich niedriger. Dieser größeren Neigung der zwei-dimensionalen Systeme zur Ladungsund Spinordnung liegt womöglich das verstärkte Nesting der LaNiO3 Fermifläche zugrunde. Es zeigt sich, dass für die N = 2 Übergitter unter Zugspannung die optische Leitfähigkeit im Infrarot-Bereich höher und die Übergangstemperatur niedriger ist. Dieses verstärkte metallische Verhalten im Vergleich zu den Übergittern unter Druckspannung könnte von einer Verbreiterung der Ni 3d-Bänder und/oder einer erhöhten Besetzung der Ni dx2-y2-Orbitale, die parallel zu den LaNiO3-Schichten polarisiert sind, herrühren. Dies zeigt weitere Möglichkeiten auf, wie über die Orbitale das kollektive Phasenverhalten der Nickelate gesteuert werden kann, was weitere experimentelle Tests für die theoretischen Vorhersagen bezüglich Hochtemperatur-Supraleitung und Multiferroizit¨at in diesen Systemen ermöglicht.