Charge-density-wave ordering in three-dimensional metallic compounds

Titelangaben

Ramakrishnan, Sitaram:
Charge-density-wave ordering in three-dimensional metallic compounds.
Bayreuth , 2020 . - 168 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004900

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Abstract

The Charge-density-wave (CDW) is a static modulation of the density of conduction electrons which is accompanied by a periodic distortion of the lattice. Although CDW mechanisms have been established in one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) systems, the driving force behind the CDW remains an enigma for three-dimensional (3D) systems. This thesis reports on two 3D systems, CuV2S4 and Er2Ir3Si5, with the purpose of explaining the mechanism for the formation of the CDW. Detailed investigations are presented of phase transitions of the compounds CuV2S4 and Er2Ir3Si5, using physical property measurements of single-crystals and single-crystal X-ray diffraction (SXRD). Another compound, Ni{0.89}V{2.11}Se4 with Ni/V disorder is also presented in the thesis.

Earlier studies report that CuV2S4 undergoes an incommensurate CDW phase transition at 90 K and a second phase transition at 50 K. Upon the analysis of the SXRD data below 90 K, we observe incommensurate superlattice reflections at positions q = (σ, σ, 0), with σ = 3/4+δ.
Moreover, there is a distortion of the lattice, where the symmetry lowers from cubic Fd-3m to orthorhombic Imm2, which is in agreement with the previous work. Below 50 K, the symmetry remained orthorhombic Imm2, however, we found the nature of the 50 K phase transition to be a lock-in transition towards a threefold superstructure. The lock-in transition occurs only on annealed crystals. As-grown (without annealing) crystals, on other hand, suffer from lattice defects, and as a result, they do not undergo the 50 K phase transition. Instead, the σ component of the modulation wave vector q decreases and passes the rational value of 3/4, but never reaches 2/3. From the analysis of the SXRD data, we have established a superspace model for the crystal structure of the CDW phase suggesting that the formation of extended 3D clusters of Vanadium atoms is at the origin of the CDW.

At room temperature, R2Ir3Si5 (R = Lu, Er, Ho) is orthorhombic Ibam. A previous study by Electron diffraction (ED) of Lu2Ir3Si5 revealed the presence of incommensurate superlattice reflections at q = (-σ, 2σ, σ), with σ = 0.23~0.25, associated with a CDW phase transition below 140 K. From studies of the physical properties (2 to 300 K) of a
single-crystal of Er2Ir3Si5 we have concluded the CDW in the material is a first-order phase transition. The analysis of the SXRD data below 150 K, shows the presence of incommensurate superlattice reflections at positions
q = (1/4-δ, 1/2-δ, 1/4-δ) accompanied by a strong monoclinic distortion of the lattice. However, we find that triclinic symmetry I-1 provides a better fit to the model compared to monoclinic symmetry. Our analysis of the crystal structure shows that the CDW resides on the zigzag chains of Iridium atoms. What makes this CDW unusual is that, firstly, it is an incommensurate first-order transition accompanied by a monoclinic lattice distortion, and secondly, from the magnetic susceptibility measurements, we observe that there is a strong coupling between the CDW and magnetism, as the Er^{3+} moments are influenced by the
CDW. We also show that in the high-quality single-crystal, the magnetic ordering of the compound is suppressed to at least 0.1 K. However, previous studies report that in a polycrystal of Er2Ir3Si5 the antiferromagnetic ordering is observed around 2.1 K. This seems to suggest that disorder in the polycrystal brings back the antiferromagnetism at the expense of the CDW transition.

According to the literature, polycrystalline NiV2Se4 is reported to be a CDW system at 165 K. We sought to investigate the CDW in the material, however, the attempts to synthesize single crystals of NiV2Se4 led to Ni deficient material with Ni/V site disorder, resulting in Ni{0.89}V{2.11}Se4. By studying temperature-dependent structural and bulk properties of Ni{0.89}V{2.11}Se4, we report a possible Non-Fermi-liquid (NFL) to a Fermi-liquid (FL) transition at ambient pressure. The electrical resistivity shows metallic behavior with a broad anomaly around 150-200 K. ρ(T) is found to exhibit an anomalous T^{3/2} dependence which is a strong indication of NFL, and below 15 K it exhibits a T^2 dependence down to 1.5 K, meaning that the FL behaviour is recovered below 15 K. From the analysis of the SXRD data at 100 K, we observed no superlattice reflections and no change to the structure as it remained monoclinic I2/m, indicating the absence of a CDW phase transition. The presence of magnetic fluctuations and quenched disorder on the Ni/V sites could be the cause of NFL to FL transition, given that stoichiometric NiV2Se4 is claimed to be a non-magnetic CDW system. Synthesis of a stoichiometric NiV2Se4 without the disorder is necessary to investigate the possibility of a CDW phase transition, and it is being undertaken.

Abstract in weiterer Sprache

Die Ladungsdichtewelle (charge-density-wave, CDW) ist eine statische Modulation
der Leitungselektronendichte, kombiniert mit einer periodischen Verzerrung
des Gitters.
Auch wenn die CDW-Mechanismen für eindimensionale (1D) und zweidimensionale
(2D) Systeme etabliert sind, so ist die treibende Kraft für
dreidimensionale (3D) Systeme noch immer nicht ganz verstanden.
Mit der vorliegenden Doktorarbeit soll anhand der 3D Systeme CuV2S4
und Er2Ir3Si5 zur Klärung des Bildungsmechanismus der
CDW beigetragen werden.
Für genaue Untersuchungen der Phasenumwandlungen in den Verbindungen
CuV2S4 und Er2Ir3Si5 werden Messungen physikalischer
Eigenschaften und Einkristallröntgenstrahlbeugung (single-crystal
X-ray diffraction, SXRD) durchgeführt.
Eine weitere Verbindung, Ni{0,89}V{2,11}Se4 mit Ni/V Lagenfehlordnung,
wird in dieser Doktorarbeit ebenfalls diskutiert.

Frühere Untersuchungen zeigen, dass CuV2S4
eine inkommensurable CDW Phase-numwandlung
bei 90 K und eine
zweite Phasen-umwandlung bei 50 K hat.
Die Auswertung der SXRD-Daten unterhalb von 90 K zeigt inkommensurable
Uberstrukturreflexe auf den Lagen q = (σ, σ, 0),
mit σ = 3/4+δ.
Darüberhinaus ist das Gitter verzerrt, wodurch sich die Symmetrie
von kubisch Fd-3m nach orthorhombisch Imm2 verringert, wie es auch
in früheren Arbeiten berichtet wird.
Unterhalb von 50 K verbleibt die Symmetrie orthorhombisch Imm2, wir
charakterisieren diese Umwandlung als eine ``Lock-in''-Phasenumwandlung hin
zu einer dreifachen Uberstruktur.
Diese Lock-in-Phasenumwandlung tritt aber nur bei getemperten Kristallen
auf. Unbehandelte Kristalle (ohne Tempern) leiden unter Gitterbaufehlern, die diese
zweite Phasenumwandlung bei 50 K verhindern.
Stattdessen verkleinert sich die σ-Komponente des
Modulationswellenvektors q weiter, wobei der rationale Wert 3/4
zwar unterschritten, aber der ebenfalls rationale Wert 2/3 nicht errricht
wird.
Basierend auf der Auswertung der SXRD-Daten haben wir ein Superraummodell der
Kristallstruktur der CDW-Phase aufgestellt und schlagen die Bildung von
ausgedehnten 3D Clustern der Vanadiumatome als Ursache der CDW vor.


Bei Zimmertemperatur ist die Symetrie von R2Ir3Si5 (R = Lu, Er, Ho)
orthorhombisch Ibam.
Frühere Untersuchungen mittels Elektronenbeugung (electron diffraction,
ED) an Lu2Ir3Si5 zeigen inkommensurable Uberstrukturreflexe
auf den Lagen q = (-σ, 2σ, σ), mit
σ = 0,23~0,25, verbunden mit einer CDW-Phasenumwandlung
unterhalb 140 K.
Basierend auf Untersuchungen der physikalischen Eigenschaften (von 2 bis 300 K)
an einem Einkristall von Er2Ir3Si5 schlagen wir vor, dass die CDW in
dieser Verbindung eine Phasenumwandlung erster Ordnung ist.
Die Auswertung der SXRD-Daten unterhalb 150 K ergeben inkommensurable
Uberstrukturreflexe auf den Lagen
q = (1/4-δ, 1/2-δ, 1/4-δ), zusammen mit einer
starken monoklinen Verzerrung des Gitters.
Weitere Untersuchungen zeigen jedoch, dass ein Strukturmodell mit trikliner
Symmetrie I-1 einen besseren Fit an die Daten ergibt, als ein
Strukturmodell mit monokliner Symmetrie.
Unseren Datenauswertungen folgend liegt die CDW auf den Zig-Zag-Ketten der
Iridium-Atome.
Diese CDW ist sehr ungewöhnlich.
Einerseits stellt sie eine inkommensurable Umwandlung erster Ordnung mit
monokliner Gitterverzerrung dar.
Andererseits zeigt die Messung der magnetischen Suszeptibilität eine
starke Kopplung zwischen der CDW und Magnetismus, da die Er^{3+} Momente
durch die CDW beeinflusst werden.
Wir zeigen auch, dass die magnetische Ordnung in Einkristallen hoher Qualität
zumindest bis 0,1 K unterdrückt wird.
Frühere Untersuchungen berichten jedoch, dass in polykristallinem
Er2Ir3Si5 antiferromagnetische Ordnung bei etwa 2,1 K beobachtet
wird.
Dies scheint nahezulegen, dass Fehlordnung im polykristallinen Material
antiferromagnetische Ordnung auf Kosten der CDW-Umwandlung zurückbringt.


In der Literatur wird polykristallines NiV2Se4 als CDW-System bei 165 K
behandelt.
Wir wollten deshalb die CDW in diesem Material untersuchen.
Jeder Versuch, Einkristalle von NiV2Se4 zu züchten, endete in der Ni-armen
Verbindung Ni{0,89}V{2,11}Se4 mit einer Ni/V-Lagenfehlordnung.
Mittels Untersuchungen temperaturabhängiger struktureller und
Volumeneigenschaften von Ni{0,89}V{2,11}Se4 berichten wir eine
mögliche Umwandlung von einer Nicht-Fermi-Flüssigkeit
(non-Fermi-liquid, NFL) zu einer Fermi-Flüssigkeit (Fermi-liquid, FL) bei
Umgebungsdruck.
Die elektrische Widerstand (ρ) zeigt metallisches Verhalten mit
einer ausgeprägten Anomalie bei etwa 150-200 K.
ρ(T) folgt einer anomalen T^{3/2}-Abhängigkeit als starkes Indiz
einer NFL, und unterhalb 15 K bis 1,5 K einer T^2-Abhängigkeit, was
bedeutet, dass das FL-Verhalten unterhalb 15 K wiederhergestellt ist.
In der Auswertung der SXRD-Daten bei 100 K können keine
Uberstrukturreflexe und keine Anderung der Struktur gefunden werden,
die Symmetrie bleibt monoklin I2/m.
Dies deutet auf eine Abwesenheit der CDW-Phasenumwandlung hin.
Das Vorhandensein magnetischer Fluktuationen und abgeschreckter Fehlordnung
auf den Ni/V-Lagen könnte die Ursache der NFL nach FL-Umwandlung sein,
unter der Annahme, dass das stoichiometrische NiV2Se4 ein
nicht-magnetisches CDW-System darstellt.
Die Synthese von stoichiometrischem NiV2Se4 ohne Fehlordnung ist
notwendig für die Untersuchung einer möglichen CDW-Phasenumwandlung
und wird zur Zeit durchgeführt.