Construction of a far-infrared ellipsometer and an experimental study of optical properties of ferromagnetic cobaltites

Mgr. Pavel Friš, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

této dizertacní práci se zabýváme dvema tématy: konstrukcí a vlastnostmi vakuového elipsometru pro vzdálenou infracervenou oblast s promenným úhlem dopadu a feromagnetickými kobaltáty. Nejdríve jsou popsány fyzikální základy, které jsou potrebné pro popis obou témat. Poté je popsána konstrukce elipsometru a jeho hlavních komponent. Elipsometr je založen na Fourierovském spektrometru, vlastní vakuové komore s pocítacem rízeným theta–2theta goniometrem a bolometrem s uzavreným cyklem helia. Elipsometr pracuje v módu s rotacním analyzátorem v rozsahu 50–680 cm−1. Nalezli jsme a korigovali artefakty, napr. nehomogení svazek spektrometru a konecnou odrazivost zrcadel. Vlastnosti elipsometru byly testovány na krystalu SrTiO3. V oblasti prekryvu se výsledky merení velmi dobre shodují s merením z komercního elipsometru pro strední infracervenou oblast. Elipsometr muže být doplnen heliovým kryostatem s uzavreným cyklem, který umožnuje merit v rozsahu teplot 5–400 K. Tato práce také obsahuje popis softwaru, který elipsometr ovládá a zpracovává namerená data. V druhé cásti prezentujeme výsledky optické odezvy feromagnetických kobaltátu La0.7Sr0.3CoO3, která byla namerena pomocí trí elipsometru v rozsahu 7–300 K: Woollam V-VASE, Woollam IR-VASE a námi postaveným elipsometrem do vzdálené infracervené oblasti. Kombinace techto elipsometru nám umožnila získat data v širokém spektrálním rozsahu 0.01–6.5 eV. Elipsometrická merení jsou doplnena merením rentgenové difrakce, magnetickými a transportními mereními. Tato obsáhlá data ukazují, že pod Curieovou teplotou dochází k prenosu spektrální váhy z absorpcního pásu centrovaného na 1.5 eV do úzké cásti Drudeho pásu. Tento prenos jasne ukazuje, že feromagnetismus v derami dopovaných kobaltátech je zpusoben snížením efektivní kinetické energie. Toto snížení je základní vlastností dvojité výmenné interakce. V souladu s nedávnými teoretickými studiemi teplotní závislost Drudeho píku naznacuje, že dvojitá výmena je zprostredkována t2g orbitaly.

Abstract:

This dissertation thesis addresses two topics: the construction and performance of a vacuum variable-angle far-infrared ellipsometer and the optical properties of ferromagnetic cobaltites. First, the physical background required for both topics is described. Next, we describe the construction of the ellipsometer and its major components. The ellipsometer is based on a Fourier transform spectrometer, an in-house built chamber with a computer controlled theta–2theta goniometer and a closed-cycle bolometer. The ellipsometer operates in the rotating analyzer mode between 50–680 cm−1. We identified and corrected artifacts like the spectrometer beam inhomogeneity, and the finite reflectivity of mirrors. The performance of the ellipsometer was tested on a SrTiO3 crystal and the results agree very well with those obtained on a commercial mid-infrared ellipsometer in the region of overlap. The ellipsometer can be supplemented with a He closed-cycle cryostat that enables measurements between 5–400 K. The thesis also includes a description of the software which controls the ellipsometer and processes the measured data. In the second part, we present results of ellipsometric measurements of the optical response of ferromagnetic cobaltite La0.7Sr0.3CoO3 between 7–300 K. The cobaltite thin films were measured using three ellipsometers: Woollam V-VASE, Woollam IR-VASE, and the in-house built far-infrared ellipsometer that yielded data in a broad energy range between 0.01–6.5 eV. The ellipsometry data were complemented by x-ray diffraction, magnetic and transport measurements. This comprehensive set of data shows that below the Curie temperature a spectral weight is transferred from an absorption band centered at 1.5 eV to a narrow component of the Drude-like peak. This transfer clearly shows that the driving force for the ferromagnetism in hole doped cobaltites is a saving of the effective kinetic energy which is a key aspect of the so-called double exchange mechanism. In conjunction with results of recent theoretical studies, the temperature dependence of the Drude-like peak suggests that the double exchange is mediated by t2g orbitals.

Keywords

Elipsometrie, elektronové vlastnosti, kobaltáty, dvojitá výmenná interakce, LabVIEW, Jonesuv pocet, feromagnetismus, prechod nesprávného spinu. Ellipsometry, electronic properties, cobaltites, double exchange interaction, Jones calculus, ferromagnetism, wrong spin transition.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 1. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 5. 4. 2018
• Supervisor: doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D.
• Reader: Ing. Vladimír Železný, CSc., Prof. Dr. Christian Bernhard

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Advanced Materials and Nanosciences / Advanced Nanotechnologies and Microtechnologies