[論文レビュー] Effect of Chemical Pressure on the Charge Density Wave Transition in Rare-earth Tritellurides RTe_3

N. Ru, Condron, C. L.+6 more|ArXiv.org|Oct 11, 2006

Solid-state spectroscopy and crystallography被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、高分解能X線回折および抵抗率測定を用いて、希土類三tellur化物 RTe₃における化学的圧力が電荷密度波（CDW）転移に及ぼす影響を調査する。CDW転移温度は、TmTe₃の244(3) KからSmTe₃の416(3) Kへと単調に上昇し、これはフェルミ準位における状態密度の増加に起因する。重い希土類元素（Dy〜Tm）では、低温に第二のCDW転移が観察され、ほぼ等しい大きさの垂直な波数ベクトルを持つ長方形CDW状態を形成する。これは、最初のCDWによってギャップ化されない残存するフェルミ表面のネストに起因する。

ABSTRACT

The charge density wave transition is investigated in the bi-layer family of rare earth tritelluride RTe_3 compounds (R = Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) via high resolution x-ray diffraction and electrical resistivity. The transition temperature increases monotonically with increasing lattice parameter from 244(3) K for TmTe_3 to 416(3) K for SmTe_3. The heaviest members of the series, R = Dy, Ho, Er, Tm, are observed to have a second transition at a lower temperature, which marks the onset of an additional CDW with wavevector almost equal in magnitude to the first, but oriented in the perpendicular direction.

研究の動機と目的

• 希土類元素系列にわたるRTe₃化合物における化学的圧力が電荷密度波（CDW）転移温度に与える影響を理解すること。
• 重い希土類元素（Dy, Ho, Er, Tm）で観察される第二のCDW転移の起源を特定すること。
• フェルミ表面のネストおよびフェルミ準位における状態密度の変化と観察されたCDW挙動との相関をとること。
• 格子定数の変化が低次元系におけるCDW秩序パラメータおよび対称性の破れをどのように調節するかを調査すること。
• RTe₃を、CDW形成における不完全なフェルミ表面ネストを研究するモデル系として確立すること。

提案手法

• 高分解能単結晶X線回折は、スタンフォード放射線研究所（SSRL）で実施され、9–13 keVのX線と1–2 mradのスリット、またはGe(111)結晶アナライザーを用いて格子周期的変動を検出した。
• 電気的抵抗率は、4端子プローブ法を用い、16 HzのACブリッジ方式とスパッタリング法で作成した金電極を用いて、面内およびb軸方向に測定した。
• 温度依存測定は、室温から450 Kまで、SSRLの炉システムを用いて実施した。
• 格子定数および構造的周期的変動は回折データから抽出され、波数ベクトル解析によりCDW秩序パラメータを特定した。
• 密度汎関数理論に基づくLMTOバンド構造計算を用いてフェルミ表面およびネスト特徴をモデル化し、CDW形成に重要な波数ベクトルq₁ ≈ 2/7 c*およびq₂ ≈ 1/3 a*を同定した。
• 化学的圧力は、希土類元素系列（LaからTmまで）にわたる面内格子定数aの連続的変化を用いて模擬された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学的圧力の関数として、RTe₃系列におけるCDW転移温度Tcはどのように変化するか？
• RQ2 最も重い希土類元素三tellur化物（Dy, Ho, Er, Tm）で観察される第二のCDW転移の原因は何か？
• RQ3 第二のCDW波数ベクトルがなぜ最初の波数ベクトルに対して垂直に整列しているのか、その大きさおよび秩序パラメータはどのように決定されるか？
• RQ4 CDW形成はフェルミ表面ネストによってどの程度駆動されており、格子定数の変化に伴いその寄与はどのように変化するか？
• RQ5 RTe₃系は、CDW系における不完全なフェルミ表面ネストを研究するモデルとして適しているか？

主な発見

• TmTe₃の244(3) KからSmTe₃の416(3) Kにかけて、CDW転移温度Tc1は単調に上昇し、200 K以上にわたる変動を示す。これはイオン半径の減少に伴いフェルミ準位における状態密度が増加するためである。
• Dy, Ho, Er, Tmでは、低温に第二のCDW転移が観察され、波数ベクトルq₂ ≈ 1/3 a*が、主となるq₁ ≈ 2/7 c*ベクトルに対して垂直に整列している。
• 第二のCDW状態は、ほぼ等しい大きさの2つの独立した秩序パラメータを持つ長方形CDW相を形成しており、共存するが明確に異なるCDW不安定性を示している。
• 第二のCDWの発現は、最初のCDWによってギャップ化されないフェルミ表面ネスト領域の残存に起因し、Tc1が系列に沿って低下するにつれて、その領域がますます利用可能になる。
• ARPESおよび光学伝導度のデータは、CDWギャップサイズが格子定数に比例し、CeTe₃では約400 meV、SmTe₃では約280 meVに達することを確認しており、これは格子定数が大きい化合物における電子相関の強化と整合的である。
• 理論的計算では、ErTe₃のフェルミ表面が二つの異なるネストベクトルq₁およびq₂を支持しており、q₂は観察された第二のCDWに対応する。また、フェルミ準位における状態密度（DOS）は格子定数の増加に伴い増加し、Tc1と相関している。