Density functional theory study of Mott and topologically non-trivial phases in oxide heterostructures
This thesis investigates complex transition metal oxide-based heterostructures, which exhibit a diverse spectrum of fascinating physical and chemical properties such as metal-insulator transitions (MIT) or topological insulating (TI) phases. Such effects are mostly not present in the bulk counterparts, but emerge due to electronic and orbital reconstructions in stacked superlattices composed of distinct materials in the layers. The development of such materials requires a fundamental understanding of the underlying mechanisms ranging from symmetry breaking, structural distortions (Jahn-Teller), charge, spin and orbital ordering to control parameters such as the effect of Coulomb interaction. The thesis comprises a systematic study on the effect of confinement in (0001)-oriented corundum and (111)-oriented perovskite-derived heterostructures or rocksalt-structured quantum wells with (001) orientations in order to give an insight into electronic and topological properties by employing first-principles calculations based on the density functional theory (DFT). The honeycomb bilayers of the (0001)-oriented corundum and (111)-oriented perovskite-derived heterostructures are highly interesting as they form a buckled graphene-like periodic arrangement of transition metal atoms. A major aspect is to exploit the effect of confinement to induce topologically non-trivial states.
The electronic and topological properties in corundum-based 3d, 4d as well as 5d-oxide X2O3 honeycomb bilayers, sandwiched in the band insulator α-Al2O3 along the [0001]-direction, are investigated as a function of strain and Hubbard U. In most cases, structural distortions lead to antiferromagnetic (AFM) ground states, while the metastable ferromagnetic cases of X = Ti, Mn, Co and Ni with constrained P321 symmetry of the two sublattices in the buckled honeycomb lattice exhibit a characteristic set of four bands. Two of these bands are flat, whereas two show a Dirac-like crossing at the high symmetry point K. By applying lateral strain, the Dirac point is tuned to the Fermi level so that subsequent spin-orbit coupling (SOC) calculations open a gap of several meV showing a weak effect for the 3d elements but still leading to a substantial anomalous Hall conductivity. A particularly strong SOC effect for X = Ti at aAl2O3 is identified resulting in an unusually high orbital moment antiparallel to the spin moment along the z-axis so that the system emerges as a candidate for the realization of the topological Haldane model of spinless fermions on a honeycomb lattice. In contrast to the 3d systems, the calculations for the 4d and 5d systems predict that X = Tc and Pt are promising Chern insulator (CI) candidates with C = -2 and -1, while the metastable FM phase of X = Pd points towards a trivial insulator. X = Os serves as a further example leading to a large SOC effect, which resembles the electronic behavior of iridates like Sr2IrO4 with a single hole in the t2g manifold.
Similar to the (0001)-oriented corundum heterostructures, the calculations for the metastable ferromagnetic (FM) systems such as X = Tc and Pt in (LaXO3)2/(LaAlO3)4(111) at the lateral lattice constant aLAO reveal Chern insulating phases with Chern numbers C = 2 and 1, respectively, under the premise that P321 symmetry is preserved. In analogy to the corundum cases, the Chern insulating phase of X = Tc is further stabilized under tensile strain with a broader plateau and an enhanced gap. In contrast, for X = Pd and Pt tensile strain (increasing the lateral lattice constant from aLAO to aLNO) leads to a bond and charge disproportionation accompanied by distinct magnetic moments. Moreover, the non-magnetic 4d and 5d homologous elements of Mo and W are identified as potential candidates for time-reversal invariant topological insulators with a non-trivial Z2 at aLAO, respectively. An additional study for X = Os and Ru at the lateral lattice constant aLAO and aLNO shows Chern insulating phases with respective Chern numbers C = 2 and -1, whereas X = Fe is a trivial Mott insulator. In a combined angle-resolved photoemission spectroscopy and first-principles study the electronic structure of (NdNiO3)2/(LaAlO3)4(111) is assessed. Fermi surface calculations are performed for the graphene-like oxide heterostructure with lowered P1 (1×1) symmetry and compared to the measured SX-ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy) intensity maps in the kx-ky plane spanning the major Ni 3d features near the valence band maximum.
In a further DFT study, the correlation between the topological and thermoelectric properties in (EuO)m/(MgO)n(001) superlattices (SLs) is addressed. While (EuO)2/(MgO)2(001) exhibits a substantial anomalous Hall conductivity with values up to -1.04 e2/h, SOC opens a sizeable band gap in (EuO)1/(MgO)3(001) SL at the lateral lattice constant of MgO due to a band inversion resulting in a topologically non-trivial state with C = -1. The Chern insulating phase exhibits enhanced thermoelectric performance in terms of the Seebeck coefficient. Further information about the band inversion mechanism are unveiled by the analysis of magnetic spin textures and edge states of the system with non-trivial topology and Berry phase (geometric phase) effects. To the end of this thesis, the electronic properties of (EuO)m/(MgO)n(001) SLs at the lateral lattice constant of EuO with FM and AFM configurations are investigated systematically. In contrast to the studied (EuO)m/(MgO)n(001) SLs at aMgO, the systems at aEuO are insulating for FM and AFM configurations. The band gap evolution of (EuO)m/(MgO)n(001) SLs is explored as a function of the quantum well thickness. The results point to an unexpected decreasing trend for the band gap evolution with an increasing number of (EuO)m/(MgO)n(001) layers.
Diese Dissertation untersucht komplexe Übergangsmetalloxid-Heterostrukturen, welche ein breites Spektrum faszinierender physikalischer und chemischer Eigenschaften aufweisen, wie z.B. Metall-Isolator-Übergänge oder topologisch isolierende (TI) Phasen. Solche Effekte sind häufig nicht in den Volumenmaterialien vorhanden, da sie infolge der elektronischen Zustände und Rekonstruktion der Orbitale in gestapelten Übergittern bestehend aus unterschiedlichen Materialien in den Lagen entstehen. Die Entwicklung von solchen Materialien setzt ein fundamentales Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen von der Symmetriebrechung, der strukturellen Instabilität (Jahn-Teller), der Ordnungsphänomene der Ladungen, Spins und Orbitale bis hin zum Effekt des Coulombterms als Kontrollparameter voraus. Das Hauptaugenmerk dieser Dissertation liegt auf der systematischen Untersuchung von Confinement-Effekten in Übergittern basierend auf (0001)-orientierten Korund- oder (111)-orientierten Perowskitstrukturen oder Quantentopfstrukturen mit einer Kochsalzstruktur und der kristallographischen Orientierung von (001), um eine tiefere Erkenntnis in elektronische und topologische Eigenschaften unter Nutzung von materialspezifischen Rechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) zu gewinnen. Aufgrund der graphen-ähnlichen Anordnung von Übergangsmetallatomen in gewellten Honigwabengittern, bestehend aus Bilagen in (0001)- oder (111)-orientierten Heterostrukturen, ist diese Klasse von Materialien von besonders hoher Bedeutung. Einen wichtigen Aspekt stellt die Nutzung des Confinement-Effektes und dessen Auswirkung auf die Entstehung von topologisch nicht-trivialen Zuständen dar.
Die elektronischen und topologischen Eigenschaften in 3d, 4d und 5d-Oxid-Heterostrukturen werden als Funktion der Verspannung und eines Coulombterms U untersucht. In diesen Systemen stellt die X2O3 Bilage ein Honigwabengitter dar und ist von beiden Seiten vom (0001)-orientierten Bandisolator α-Al2O3 eingeschränkt. In den meisten Fällen zeigt sich infolge der strukturellen Verzerrung ein anti-ferromagnetischer (AFM) Grundzustand, während die metastabilen ferromagnetischen Systeme mit X = Ti, Mn, Co und Ni mit festgehaltener P321-Symmetrie der zwei Untergitter im gewellten Honigwabengitter einen charakteristischen Satz aus vier Bändern aufweisen. Zwei dieser Bänder sind flach, wohingegen zwei eine Dirac-ähnliche Kreuzung am Hochsymmetriepunkt K zeigen. Unter Druckspannung kann der Dirac-Punkt zum Fermi-Niveau hin verschoben werden, sodass anschließende Berechnungen, unter Berücksichtigung der Spin-Bahn-Kopplung, eine Bandlückenöffnung von einigen meV zeigen und es trotz eines schwachen Effekts für die 3d-Elemente zu einer bedeutenden anomalen Hall-Leitfähigkeit kommt. Des Weiteren wird ein starker Spin-Bahn-Kopplungseffekt für X = Ti bei aAl2O3 festgestellt, welcher in einem außergewöhnlich hohen Orbitalmoment anti-parallel zum magnetischen Moment entlang der z-Achse resultiert, sodass sich dieses System als Kandidat zur Realisierung des topologischen Haldane Modells von spinlosen Fermionen auf einem Honigwabengitter herausstellt. Im Gegensatz zu den 3d-Systemen zeigen Berechnungen für die 4d-und 5d-Systeme, dass X = Tc und Pt als vielversprechende Chern-Isolator (CI) Kandidaten mit C = -2 und -1 in Frage kommen, während sich die metastabile ferromagnetische (FM) Phase von X = Pd als ein trivialer Isolator erweist. Ein weiteres Beispiel ist X = Os, welches mit einem starken Spin-Bahn-Kopplungseffekt im elektronischen Verhalten mit einem Elektron-Loch im t2g Zustand den Iridaten wie Sr2IrO4 ähnelt.
Ähnlich zu den (0001)-orientierten Korund-Übergittern, zeigen die Berechnungen für die metastabilen ferromagnetischen (FM) Systeme wie X = Tc und Pt in (LaXO3)2/(LaAlO3)4(111) mit der P321 Symmetrie und einer lateralen Gitterkonstante von aLAO Chern-isolierende Phasen mit Chern-Zahlen von C = 2 und 1. Unter Zugspannung kommt es zu einer Stabilisierung der Chern-isolierenden Phase von X = Tc, während gleichzeitig, ähnlich wie bei den Korund-Fällen, ein breites Plateau und eine erhöhte Bandlücke entstehen. Im Gegensatz dazu führt die Zugspannung für X = Pd und Pt, welche durch Erhöhung des lateralen Gitterparameters von aLAO zu aLNO erreicht wird, zur Bindungs- und Ladungsdisproportionierung und wird von unterschiedlichen magnetischen Momenten begleitet. Außerdem werden die nicht-magnetischen 4d und 5d homologen Elemente von Mo und W als potenzielle Kandidaten für nicht-triviale topologische Z2-Isolatoren bei aLAO identifiziert. Das Ergebnis einer weiteren Untersuchung für X = Os und Ru bei einem lateralen Gitterparameter von aLAO und aLNO zeigt Chern-isolierende Phasen mit entsprechenden Chern-Zahlen von C = 2 und -1, wohingegen X = Fe einen trivialen Mott-Isolator darstellt.
In einer kombinierten winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie- und first-principles-Untersuchung wird die elektronische Struktur von (NdNiO3)2/(LaAlO3)4(111) ausgewertet. Die Fermi-Flächen für die graphen-ähnliche Oxid-Heterostruktur mit reduzierter P1 (1×1) Symmetrie werden berechnet und mit den Intensitätsverteilungen aus den SX-ARPES-Messungen (winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie) in der kx-ky -Ebene verglichen, welche die Ni 3d-Zustände am Valenzbandmaximum beschreiben. In einer weiteren DFT-Studie wird für (EuO)m/(MgO)n(001) Übergitter die Korrelation zwischen den topologischen und thermoelektrischen Eigenschaften untersucht. Während (EuO)2/(MgO)2(001) eine bedeutende anomale Hall-Leitfähigkeit mit Werten bis zu -1.04 e2/h zeigt, öffnet sich unter Berücksichtigung der Spin-Bahn-Kopplung für die Überstruktur (EuO)1/(MgO)3(001) bei einer lateralen Gitterkonstante von MgO eine beträchtliche Bandlücke infolge der Bandinversion und resultiert in einem topologisch nicht-trivialen Zustand mit C = -1. Die Chern-isolierende Phase zeigt eine erhöhte thermoelektrische Leistung bezüglich des Seebeck-Koeffizienten. Weitere Erkenntnisse über die Bandinversion werden durch die Analyse der magnetischen Spintextur und Oberflächenzustände der Systeme mit nicht-trivialer Topologie und Berry-Phase-Effekten (geometrische Phase) enthüllt. Am Ende dieser Dissertation werden die elektronischen Eigenschaften von (EuO)m/(MgO)n(001) bei einer lateralen Gitterkonstante von EuO mit FM- und AFM-Anordnungen systematisch untersucht. Im Gegensatz zu den untersuchten (EuO)m/(MgO)n(001) Überstrukturen bei aMgO sind die Systeme bei aEuO isolierend für die FM- und AFM-Konfigurationen. Die Änderung der Bandlücke der Überstruktur (EuO)m/(MgO)n(001) wird als Funktion der EuO Schichtdicke untersucht. Die Ergebnisse deuten auf einen unerwartet abnehmenden Trend für die Bandlückenentwicklung mit zunehmender Anzahl von (EuO)m/(MgO)n(001) Lagen hin.