Structure électronique des Cobaltates de Sodium NaxCoO2

Electronic structure of Sodium Cobaltates NaxCoO2

• Auteur / Autrice : Antonin Bourgeois
• Direction : Marcelo Rozenberg
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sodium

Matière condensée

Mots clés libres

Systèmes corrélés

Cobaltates de Sodium

Dmft

Résumé

Les Cobaltates de Sodium NaxCoO2 font l’objet d’un grand intérêt depuis la découverte de leur pouvoir thermoélectrique très élevé conjugué à une faible résistivité (pour des dopages 0. 5<x<0. 9), et d’une phase supraconductrice pour le composé hydraté Na0. 33CoO2 – 1. 3 H2O. Ces Cobaltates appartiennent aux systèmes frustrés et corrélés : les porteurs de charge sont les électrons 3d t2g du Co, soumis à une forte interaction coulombienne ; et le réseau triangulaire des Co frustre les interactions magnétiques. On peut ajouter que ces composés sont fortement covalents : des expériences d’absorption de rayons X et des calculs de chimie quantique indiquent une forte hybridation des liaisons Co–O. J’ai concentré mon étude sur la structure de bandes correspondant aux excitations de basse énergie, qui sont par ex. Sondées par les expériences de photoémission (ARPES). Quel que soit le dopage (0<x<1), l’ARPES indique qu’une bande traverse le niveau de Fermi, résultant en une poche de type trou autour de Γ (centre de la zone de Brillouin). Ces résultats sont en contradiction avec les calculs basés sur l’approximation de densité locale (LDA). J’ai développé un modèle effectif de type Hubbard liaisons fortes dont les paramètres sont issus de calculs (de chimie quantique par ex. ) traitant exactement les effets des corrélations au sein d’un élément de base CoO6. Le modèle est résolu dans l’approximation des très fortes corrélations U→∞ à l’aide d’une méthode de bosons esclaves, puis dans le cas d’une interaction réaliste en champ-moyen dynamique (DMFT). Les structures de bandes obtenues sont en accord avec l’ARPES quant à la surface de Fermi, la largeur des bandes ou les vitesses de Fermi.

Sodium Cobaltates NaxCoO2 have been a topic of great interest since the discovery of their exceptionally high thermopower together with a low resistivity (for the doping range 0. 5<x<0. 9), as well as a superconducting phase for the hydrated compound Na0. 33CoO2 – 1. 3 H2O. These Cobaltates belong to the family of correlated and frustrated systems: the charge carriers are the 3d t2g electrons of the Co, which feel a strong on-site coulomb interaction; furthermore, the triangular Co lattice is expected to frustrate the magnetic interactions. These compounds are also strongly covalent: X-ray absorption experiments and quantum chemistry calculations indicate a strong covalency of the Co–O bonds. I specifically studied the band structure corresponding to the low-energy excitation, which are for instance probed by photoemission experiments (ARPES). Whatever the doping (0<x<1), ARPES shows one bande crossing the Fermi level, resulting in one hole-pocket around the Γ point (center of the Brillouin zone). This results contradict first-principle Local Density Approximation (LDA) calculations. I developed an effective Hubbard tight-binding like model, which parameters are fitted from calculations (e. G. Quantum chemistry) taking exactly into account the correlations inside the base CoO6 element. This model is first solved in the strong-correlations limit (U→∞) using a slave-bosonapproximation, and then for a realistic interaction within the Dynamical Mean-Field Theory (DMFT). Computed band structures, Fermi surface topology, band-width and Fermi velocity are in agreement with ARPES experiments.