Organic conductors in equilibrium and nonequilibrium states : the interaction with electric and light pulses

Abstract

In the framework of this thesis several organic conductors were extensively investigated by a variety of experimental and theoretical methods. Because of their rich phase diagrams, which can be controlled by varying temperature or hydrostatic pressure, they are an interesting playground to study different exotic ground states as well as electron-electron and electron-lattice interactions. Furthermore, theoretical models can be tested due to their low-dimensional character. Additionally, in the recent years the family of organic conductors has attracted more attention than nonlinear conductivity and photo-induced states have been discovered. Therefore, we have used steady state and time-resolved infrared spectroscopy and time-dependent conductivity measurements to examine the ground states as well as photo- and electronically induced states of the Fabre salts (TMTTF) 2X (X=PF6 , AsF6 , SbF6 , and ReO4), δ-(EDT-TTFCONMe2)2 AsF6 and Br, TTF-CA, and α-(BEDT-TTF)2I3. To support the experimental results, advanced DFT calculations were conducted to determine the band structure, the optical spectra and the molecular vibrations mode. By studying the infrared optical spectra of the Fabre salts, the charge disproportionation in the charge order phase has been determined very precisely following an almost linear behavior as a function of the transition temperature. With increasing transition temperature a crossover from a second order phase transition to a first order could be observed. Furthermore, we examined the ionic to neutral photo-induced phase transition in TTF-CA on the microsecond time range. The observed relaxation profile can be explained by a one-dimensional random-walk model of neutral-ionic domain walls. In α-(BEDT-TTF)2I3 the switching process from a low to a high conducting state has been systematically studied which is caused by the electronically excited high mobility charge carriers in the insulating phase. With this work, the ground states of the aforementioned organic conductors have been studied in detail and it was demonstrated that DFT calculations are an indispensable theoretical method to understand the experimental results. The time-resolved infrared spectroscopy has been introduced to the field of solid state physic by showing its capability on selected examples of electronically and photo-induced phase transitions which will pave the way for future studies.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene ein- und zweidimensionale organische Leiter mittels unterschiedlicher experimenteller und theoretischer Methoden untersucht. Aufgrund ihrer an unterschiedlichen Zuständen reichen Phasendiagramme sind organische Leiter sowohl für die molekulare Mikroelektronik als auch für die reine Grundlagenforschung sehr interessant Die vorliegenden Phasen hängen dabei jeweils stark vom Zusammenspiel der Elektron-Elektron-, Elektron-Gitter-Wechselwirkung und der Bandfüllung ab, welches sich üblicherweise durch Variation äußerer Parameter wie Druck und Temperatur kontrollieren lässt. In den vergangenen Jahren wurden vermehrt Experimente an organischen Leitern mit kurzen Lichtpulsen und elektrischen Feldern durchgeführt, die zur Entdeckung neuer Phänomene und metastabiler Zustände führten.

Aus diesem Grund wurden statische und zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie eingesetzt, um die Grund- und Nichtgleichgewichtszustände der Fabre Salze (TMTTF) 2X (X=PF6, AsF6, SbF6 und ReO4), δ-(EDT-TTFCONMe2)2AsF6 und Br, TTF-CA und α-(BEDT-TTF)2I3 genau zu untersuchen. Zur Unterstützung der experimentellen Ergebnisse wurden DFT Berechnungen verwendet, um die Bandstruktur, optischen Spektren und Molekülschwingungen zu bestimmen. Mittels Infrarotspektroskopie war es möglich, die Ladungsverteilung der Fabre Salz in der ladungsgeordneten Phase sehr präzise zu bestimmen. Zusätzlich lässt sich mit zunehmender Übergangstemperatur ein Crossover von einem Phasenübergang zweiter Ordnung zu einem erster Ordnung beobachten. Im Falle von TTF-CA wurde der neutral-ionische fotoinduzierte Phasenübergang intensiv untersucht, der sich auf einer Zeitskala von mehreren Mikrosekunden abspielt. Das dabei beobachtete Relaxationsverhalten kann erfolgreich durch ein Modell eines eindimensionalen Random Walks neutraler-ionischer Domänwände erklärt werden. Der elektrisch induzierte Schaltvorgang von einem niedrigleitenden in einen hochleitenden Zustand, welcher in α-(BEDT-TTF)2I3 auftritt, wurde systematisch analysiert. Der Schaltprozess wird hierbei durch angeregte hochmobile Ladungsträger verursacht. Mit dieser Arbeit wurden die Grundzustände der oben genannten organischen Leiter umfassend untersucht. Es wurde außerdem gezeigt, dass DFT Rechnungen eine wichtige Methode sind, um experimentelle Ergebnisse besser verstehen zu können. Es ist anzumerken, dass durch diese Arbeit die zeitaufgelöste FTIR-Infrarotspektroskopie auf einem breiten Gebiet der Festkörperphysik eingeführt wurde, indem sie ihre Leistungsfähigkeit bei der Untersuchung ausgewählter Beispiele unter Beweis stellen konnte. Die in dieser Arbeit präsentierten Experimente werden den Weg für zukünftige Studien auf diesem Gebiet ebnen.