Author: Johan Jönsson

Publisher: Linköping University Electronic Press

Published: 2020-03-17

Total Pages: 85

ISBN-13: 9179298850

Macroscopic properties of real materials, such as conductivity, magneticproperties, crystal structure parameters, etc. are closely related or evendetermined by the configuration of their electrons, characterized by electronicstructure. By changing the conditions, e.g, pressure, temperature, magnetic/electric field, chemical doping, etc. one can modify the electronic structure ofsolids and therefore induce a phase transition(s) between different electronic andmagnetic states. One famous example is a Mott metal-to-insulator phase transition,at which a material undergoes a significant, often many orders of magnitude, changeof conductivity caused by the interplay between itineracy and localization of thecarriers. Electronic topological transitions (ETT) involvechanges in the topology of a metal's Fermi surface. This thesis investigates theeffect of such electronic transitions in various materials, ranging from pureelements to complex compounds. To describe the interplay between electronic transitionsand properties of real materials,different state-of-the-art computational methods are used. The densityfunctional theory(DFT), as well as the DFT + U method, is used to calculatestructural properties. The validity of recently introduced exchange-correlationfunctionals, such as the strongly constrained and appropriately normed (SCAN)functional, is also assessed for magnetic elements. In order toinclude dynamical effects of electron interactions we use the DFT + dynamical meanfield theory (DFT + DMFT) method. Experiments in hcp-Os have reported peculiarities in the ratio betweenlattice parameters at high pressure. Previous calculations have suggested these transitions maybe related to ETTs and even crossings of core levels at ultra high pressure. Inthis thesis it is shownthat the crossing of core levels is a general feature of heavy transitionmetals. Experiments have therefore been performed to look for indications ofthis transition in Ir using X-ray absorption spectroscopy. In NiO, strongrepulsion between electrons leads to a Mott insulating state at ambientconditions. It has long been predicted that high pressure will lead to aninsulator-to-metal transition. This has been suggested to be accompanied by aloss of magnetic order, and a structural phase transition. In collaboration withexperimentalists we look for thistransition by investigating the X-ray absorption spectra as well as themagnetic hyperfine field. We find no evidence of a Mott transition up to 280GPa. In the Mott insulator TiPO4, application of external pressure has beensuggested to lead to a spin-Peierls transition at room temperature. Weinvestigate the dimerisation and the magnetic structure of TiPO4 at high pressure.As pressure is increased further, TiPO4 goes through a metal to insulatortransition before an eventual crystallographic phase transition. Remarkably, thenew high pressure phases are found to be insulators; the Mott insulating stateis restored. MAX phases are layered materials that combinemetallic and ceramic properties and feature layers of M-metal and X-C or N atomsinterconnected by A-group atoms. Magnetic MAX-phases with their low dimensionalmagnetism are promising candidates for applications in e.g., spintronics.The validity of various theoretical approaches are discussed in connection tothe magnetic MAX-phase Mn2GaC. Using DFT and DFT + DMFT we consider the hightemperature paramagnetic state, and whether the magnetic moments are formed bylocalized or itinerant electrons. Ett materials makroskopiska egenskaper, såsom ledningsförmåga, magnetiska egenskaper, kristallstrukturparametrar, etc. är relaterade till, eller till och med bestämda av elektronernas konfiguration, vilken karakteriseras av elektronstrukturen. Genom att ändra förhållandena, till exempel via tryck, temperatur, magnetiska och/eller elektriska fält, dopning, etc. är det möjligt att modifiera elektronstrukturen hos ett material, och därigenom inducera fasövergångar mellan olika magnetiska och elektron-tillstånd. Mott metall-till-isolator övergången är ett berömt exempel på en fasövergång, då ett material genomgår en omfattande, ofta flera tiopotenser, förändring i ledningsförmåga, orsakad av samspelet mellan ambulerande och lokaliserade laddningsbärare. Vid en elektronisk-topologisk övergång (eng. electronic topological transition, ETT) sker förändringar i elektronernas energifördelning vilket modifierar materialets Fermi-yta. I den här avhandlingen undersöks dylika övergångar i olika material, från rena grundämnen till komplicerade föreningar. Flera olika toppmoderna beräkningsmetoder används för att redogöra för samspelet mellan elektroniska fasövergångar och egenskaper hos riktiga material. Täthetsfunktionalterori (eng. density functional theory, DFT), samt DFT + U, har används för att beräkna strukturella egenskaper. Lämplighetsgraden i att använda nyligen publicerade exchangecorrelation- funktionaler, såsom SCAN (eng. strongly constrained and appropriately normed), för att beskriva magnetiska grundämnen undersöks även. För att inkludera dynamiska elektronkorrelationer använder vi metoden DFT + dynamisk medelfältteori (eng. dynamical mean field theory, DMFT). Experiment utförda på hcp-Os vid högt tryck visar underliga hopp i kvoten mellan gitterparametrar. Tidigare beräkningar har indikerat att dessa övergångar kan vara relaterade till elektronisk-topologiska övergångar och korsande av kärntillstånd. I den här avhandlingen visas också att korsning av kärntillstånden är en generell egenskap hos tunga övergångsmetaller. Därför utförs röntgenabsorptionsexperiment på Ir för att leta efter tecken på denna typ av övergång. Övergångsmetalloxiden NiO har sedan länge förutspåtts genomgå en isolator till metall Mott-övergång. Det har föreslagits att denna övergång sker vid höga tryck i samband med att materialets magnetiska ordning försvinner och en strukturell övergång sker. I samarbete med experimentalister letar vi efter denna övergång genom att studera röntgenabsorptionsspektra och det magnetiska hyperfina fältet. Vi ser inga indikationer på en Mott-övegång, upp till ett tryck på 280 GPa. Det har föreslagits att Mott-isolatorn TiPO4 genomgår en så kallad spin-Peierls-övergång, vid rumstemperatur, när tryck appliceras. Vi undersöker dimeriseringen och den magnetiska strukturen i TiPO4 som funktion av tryck. Vid höga tryck genomgår TiPO4 ytterligare övergångar, från en isolerande till en metallisk fas för att slutligen genomgå en strukturell övergång. De nya högtrycksfaserna visar sig anmärkningsvärt vara Mott-isolatorer. MAX-faser är en grupp material med specifik kristallstruktur, som kombinerar egenskaper från keramiska material och metaller. En MAX-fas består av lager av M –metall-atomer – och X – kol- eller kväveatomer – vilka sammanbinds av atomer från grupp A. Magnetiska MAX-faser som visar magnetiska egenskaper, liknande de för lågdimensionella material, är lovande kandidater för applikation inom exempelvis spinntronik. Den här avhandlingen undersöker lämplighetsgraden i att använda diverse teoretiska metoder för att beskriva magnetiska MAX-faser. Med hjälp av DFT och DFT + DMFT undersöker vi den paramagnetiska högtemperaturfasen och huruvida de magnetiska momenten bildas av lokaliserade eller ambulerande elektroner.