[논문 리뷰] Carrier doping versus impurity potential effect in transition metal-substituted iron-based superconductors

S. Ideta, T. Yoshida외 16명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 09.

Iron-based superconductors research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 각도 분 giải된 광전자 방출 분광법을 사용하여 니켈, 구리, cobalt 도핑된 122형 철계 초전도체에서 전자 도핑 효과를 비교하며, 동일한 명목상 도핑 조건에서도 불순물 포텐셜 증가에 따라 피어미 표면 형성에 기여하는 효과적 전자 수가 감소하는 것으로 밝혀냈다. 결과적으로 초전도 전이 온도와 네일 온도는 명목상 전자 농도나 도핑 원소 농도가 아니라 피어미 표면 부피에 의해 결정됨을 보여주었다.

ABSTRACT

In order to examine to what extent the rigid-band-like electron doping scenario is applicable to the transition metal-substituted Fe-based superconductors, we have performed angle-resolved photoemission spectroscopy studies of Ba(Fe$_{1-x}$Ni$_{x}$)$_2$As$_2$ (Ni-122) and Ba(Fe$_{1-x}$Cu$_{x}$)$_2$As$_2$ (Cu-122), and compared the results with Ba(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ (Co-122). We find that Ni 3$\it{d}$-derived features are formed below the Fe 3$\it{d}$ band and that Cu 3$\it{d}$-derived ones further below it. The electron and hole Fermi surface (FS) volumes are found to increase and decrease with substitution, respectively, qualitatively consistent with the rigid-band model. However, the total extra electron number estimated from the FS volumes (the total electron FS volume minus the total hole FS volume) is found to decrease in going from Co-, Ni-, to Cu-122 for a fixed nominal extra electron number, that is, the number of electrons that participate in the formation of FS decreases with increasing impurity potential. We find that the N$\acute{ m{e}}$el temperature $T_{ m{N}}$ and the critical temperature $T_{\it{c}}$ maximum are determined by the FS volumes rather than the nominal extra electron concentration nor the substituted atom concentration.

연구 동기 및 목표

• 전이 금속 치환된 철계 초전도체에서 강성 밴드 모델의 타당성을 평가하기 위해.
• 다른 도핑 원소(Ni, Cu, Co)에서 유래한 불순물 포텐셜이 전자 구조 및 피어미 표면 기하학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 임계 온도(Tc)와 네일 온도(TN)가 명목상 전자 농도인지 실제 피어미 표면 부피인지 결정하기 위해.
• 동일한 명목상 전자 도핑 조건을 가진 Co-, Ni-, Cu 도핑된 Ba(Fe1−xMx)2As2 시스템 간의 전자적 반응을 비교하기 위해.

제안 방법

• Ba(Fe1−xMx)2As2 (M = Ni, Cu, Co) 단일 결정체에 대해 각도 분해 광전자 방출 분광법(ARPES)을 수행하였다.
• 다양한 도핑 수준(x)에서 전자 구조 및 피어미 표면 기하학을 매핑하였다.
• Fe 3d 밴드에 대한 Ni 및 Cu 도핑 원소의 d 오비탈 기여도를 확인하였다.
• ARPES 데이터로부터 전자 및 정공 피어미 표면 부피를 정량화하였다.
• 피어미 표면 부피 변화를 명목상 전자 농도 및 불순물 포텐셜과 연관지어 분석하였다.
• 피어미 표면 부피와 초전도 전이 온도(Tc) 및 네일 온도(TN) 간의 관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강성 밴드 모델이 Ni 및 Cu 도핑된 122계에서 전자 도핑을 얼마나 정확하게 기술하는가?
• RQ2 Co에서 Ni로, Ni에서 Cu로 향하는 불순물 포텐셜 증가가 피어미 표면에 기여하는 효과적 전자 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 시스템에서 최대 Tc와 TN은 명목상 전자 농도인지 실제 피어미 표면 부피에 의해 결정되는가?
• RQ4 Ni 및 Cu의 d 오비탈 기여는 전자 구조에서 Fe 3d 밴드와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 동일한 명목상 도핑 조건에서도 Co-122에서 Ni-122로, Ni-122에서 Cu-122로 갈수록 효과적 전자 수가 감소하는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• Ni 3d 기반 상태는 Fe 3d 밴드 이하에 나타나며, Cu 3d 기반 상태는 더 아래에 위치하여 강한 불순물 포텐셜 효과를 나타낸다.
• 전자 및 정공 피어미 표면 부피는 강성 밴드 모델 예측과 일치하지만, 동일한 명목상 도핑 조건에서도 Co-122에서 Ni-122로, Ni-122에서 Cu-122로 갈수록 피어미 표면에 기여하는 효과적 전자 수가 감소한다.
• 명목상 전자 농도는 동일하지만 불순물 포텐셜이 증가할수록 피어미 표면 부피의 차이에서 유추된 총 추가 전자 수가 감소한다.
• 초전도 전이 온도(Tc) 및 네일 온도(TN)의 최대값은 명목상 전자 농도나 도핑 원소 농도가 아니라 피어미 표면 부피에 의해 결정된다.
• 불순물 포텐셜 증가에 따른 효과적 전자 수 감소는 강한 현장 쿨롱 상호작용 또는 하이브리드화 효과로 인해 강성 밴드 모델이 붕괴됨을 시사한다.
• 결과적으로 피어미 표면 기하학이 명목상 도핑이 아니라, 전이 금속 치환된 철계 초전도체의 상도표를 지배한다.