Enhanced effective mass in doped SrTiO3 and related perovskites

The effective mass is one of the main factors determining the Seebeck coefficient and electronic conductivity. Nb-doping increases the effective mass because of two reasons, lattice constants increase and electronic effects. In this ab-initio study the effective mass is estimated from the curvature of electronic bands and it could be clarified that the deformation of SrTiO3 crystals has a significant influence on bandgap and effective DOS and band mass, which are both in excellent agreement to experimental data. However, the electronic effect due to the e2g- band flattening near the Gamma-point due to Nb-doping up to 0.2 at% is the main factor for the increase of effective mass. Doping of La shows a linear decrease of the effective mass; this is explained by the different surrounding of A- and B-site. Substitution of other elements like Ba on the A-site and V on the B-site in SrTiO3 were also found to increase the effective mass.Comment: 10 pages, 11 figures, 3 table

Electron spin dynamics during microwave pulses studied by 94 GHz chirp and phase-modulated EPR experiments

Electron spin dynamics during microwave irradiation are of increasing interest in electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy, as locking electron spins into a dressed state finds applications in EPR and dynamic nuclear polarization (DNP) experiments. Here, we show that these dynamics can be probed by modern pulsed EPR experiments that use arbitrary waveform generators to produce shaped microwave pulses. We employ phase-modulated pulses to measure Rabi nutations, echoes, and echo decays during spin locking of a BDPA (1,3-bisdiphenylene-2-phenylallyl) radical at 94 GHz EPR frequency. Depending on the initial state of magnetization, different types of echoes are observed. We analyze these distinct coherence transfer pathways and measure the decoherence time T2ρ, which is a factor of 2–3 times longer than Tm. Furthermore, we use chirped Fourier transform EPR to detect the evolution of magnetization profiles. Our experimental results are well reproduced using a simple density matrix model that accounts for T2ρ relaxation in the spin lock (tilted) frame. The results provide a starting point for optimizing EPR experiments based on hole burning, such as electron–nuclear double resonance or ELectron–electron DOuble Resonance (ELDOR)-detected NMR

Small Polarons in Transition Metal Oxides

The formation of polarons is a pervasive phenomenon in transition metal oxide compounds, with a strong impact on the physical properties and functionalities of the hosting materials. In its original formulation the polaron problem considers a single charge carrier in a polar crystal interacting with its surrounding lattice. Depending on the spatial extension of the polaron quasiparticle, originating from the coupling between the excess charge and the phonon field, one speaks of small or large polarons. This chapter discusses the modeling of small polarons in real materials, with a particular focus on the archetypal polaron material TiO2. After an introductory part, surveying the fundamental theoretical and experimental aspects of the physics of polarons, the chapter examines how to model small polarons using first principles schemes in order to predict, understand and interpret a variety of polaron properties in bulk phases and surfaces. Following the spirit of this handbook, different types of computational procedures and prescriptions are presented with specific instructions on the setup required to model polaron effects.Comment: 36 pages, 12 figure

Electron spin dynamics during microwave pulses studied by 94 GHz chirp and phase-modulated EPR experiments

Primary data files and simulation scripts for all figures in the manuscrip

Jahn-Teller polarons in bariumtitanate and their behaviour under uniaxial stress

Freie Leitungselektronen sind bisher in oxidischen Perowskiten mit Elektronenspinresonanz (ESR) selten beobachtet worden. Meist sind solche Elektronen, insbesondere bei tiefen Temperaturen, an Gitterstörungen gebunden. In akzeptorarmem BaTiO3 ist es gelungen, mit ESR Elektronen zu identifizieren, die auch bei tiefen Temperaturen nicht an Defekte gekoppelt sind. Sie entstehen beim Einbau von Nb5+Ti in das Gitter und lokalisieren sich auf Titan-Platz als Ti3+ Jahn-Teller-Polaronen selbst. Die beiden Gebiete Jahn-Teller-Effekt und Polaronen, die sich bisher weitgehend getrennt voneinander entwickelt haben, werden hier in einer experimentellen Untersuchung vereinigt. Beim Jahn-Teller-Effekt wird eine elektronische Bahn-Entartung durch eine spontane Erniedrigung der Punktsymmetrie aufgehoben. Die Polaronenbildung erfolgt unter Bruch der Translationssymmetrie. Dabei wird die Energie des Systems erniedrigt, indem ein Zustand unter die quasi-entarteten Bandzustande abgesenkt wird. Beim System Ti3+ treten beide Effekte gleichzeitig auf: Die nach Lokalisierung eines freien Elektrons an Titan aus dem Leitungsband auftretende Bahn-Entartung des resultierenden T2-Grundzustandes wird durch einen Jahn-Teller-Effekt aufgehoben. Es bildet sich ein sogenanntes Jahn-Teller-Polaron. Als Vorbereitung der experimentellen Untersuchungen an Jahn-Teller- Polaronen dienen ESR-Messungen an verschiedenen reinen Jahn-Teller-Systemen in BaTiO3 (Mo5+, Ni+, Rh2+). Im Gegensatz zu einem Polaron ist das durch eine Störstelle im Kristall hervorgerufene Potential schon vorhanden, bevor dort ein Ladungsträger eingefangen wird. Beim Polaron bewirkt die Anwesenheit des Ladungsträgers selbst die Bildung einer Potentialmulde. Man spricht daher von Selbsteingrabung. Die untersuchten Jahn-Teller-Zentren reagieren auf äußeren uniaxialen Druck mit einer Reorientierung: Die spontan erfolgten Jahn-Teller-Verzerrungen werden entlang der Druckachse ausgerichtet. Auch beim Jahn-Teller-Polaron ist diese Reorientierung zu beobachten. Die Jahn-Teller-Kopplung ist jedoch schwächer als die des isoelektronischen Zentrums Mo5+ (4d1 ). Aufgrund der Äquivalenz aller Titan-Plätze im Kristall ist das ungepaarte Elektron an Ti3+ stärker auf seine Nachbarn delokalisiert als im Fall des Mo5+. Es wird gezeigt, daß eine delokalisierte Wellenfunktion schwächer an das Gitter ankoppelt als eine lokalisierte und daher eine schwächere Jahn-Teller-Kopplung aufweist. Es treten kleine und intermediäre Jahn-Teller-Polaronen gleichzeitig auf. BaTiO3 besitzt die Tendenz, breite Polaronenbänder zu bilden. Polaronen in diesem Material zeigen daher die Tendenz zur Delokalisierung, d. h. sie sind über mehr als einen Gitterplatz ausgedehnt und werden als intermediär bezeichnet. Eine Lokalisierung auf einen Gitterplatz, also ein kleines Polaron, bildet sich nur bei Anwesenheit von lokalen Potentialfluktuationen aus (Anderson-Lokalisierung). Unter uniaxialem Druck erfolgt eine Verringerung dieser Fluktuationen durch die Reorientierung, und ein Übergang vom kleinen zum intermediären Polaron wird beobachtet