[논문 리뷰] Effect of Chemical Pressure on the Charge Density Wave Transition in Rare-earth Tritellurides RTe_3

N. Ru, Condron, C. L.외 6명|ArXiv.org|2006. 10. 11.

Solid-state spectroscopy and crystallography인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 X선 회절 및 전기 저항 측정을 통해 희토류 삼tell루라이드 RTe₃에서 화학적 압력이 전하 밀도파(CDW) 전이에 미치는 영향을 조사한다. CDW 전이 온도는 TmTe₃에서 244(3) K에서 SmTe₃에서 416(3) K로 증가하며, 이는 패피 레벨에서의 상태 밀도가 증가하기 때문이다. 더 무거운 희토류 원소(Dy에서 Tm까지)에서는 낮은 온도에서 두 번째 CDW 전이가 나타나며, 거의 같은 크기의 수직인 파장벡터를 가진 직사각형 CDW 상태를 형성한다. 이는 첫 번째 CDW에 의해 갭이 생기지 않는 잔류 피에르 표면의 정렬에 의해 유도된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 희토류 계열 전역에서 RTe₃ 화합물의 전하 밀도파(CDW) 전이 온도에 대한 화학적 압력의 영향을 이해하는 것.
• 더 무거운 희토류 삼tell루라이드(Dy, Ho, Er, Tm)에서 관측된 두 번째 CDW 전이의 기원을 규명하는 것.
• 관측된 CDW 거동과 관련하여 피에르 표면 정렬 및 피에르 레벨에서의 상태 밀도 변화를 연관짓는 것.
• 격자 상수 변화가 저차원계에서 CDW 순서 매개변수 및 대칭성 붕괴를 조절하는 데 미치는 역할을 탐색하는 것.
• RTe₃를 CDW 형성에서 불완전한 피에르 표면 정렬을 연구하는 모델 시스템으로 정립하는 것.

제안 방법

• 고해상도 단결정 X선 회절은 스탠포드 동기방사선연구소(SSRL)에서 9–13 keV X선과 1–2 mrad 슬릿 또는 Ge(111) 결정 분석기를 사용하여 수행되었으며, 격자 변형을 감지하였다.
• 전기 저항 측정은 16 Hz에서 AC 브릿지 작동 방식과 스퍼터링된 금 전극을 사용한 4점 프로브 기법을 통해 평면 및 b축 방향에서 실시되었다.
• 온도 의존 측정은 SSRL의 오븐 시스템을 사용하여 실온에서 450 K까지 수행되었다.
• 격자 상수 및 구조적 변형은 회절 데이터에서 추출되었으며, 파장벡터 분석을 통해 CDW 순서 매개변수를 식별하였다.
• 밀도함수이론 기반의 LMTO 밴드 구조 계산을 통해 피에르 표면과 정렬 특성을 모델링하였으며, CDW 형성에 핵심적인 역할을 하는 파장벡터 q₁ ≈ 2/7 c* 및 q₂ ≈ 1/3 a*가 확인되었다.
• 화학적 압력은 희토류 계열(La에서 Tm까지)에서 평면 격자 상수 a의 연속적인 변화를 통해 시뮬레이션되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 화학적 압력에 따라 RTe₃ 계열에서 CDW 전이 온도 Tc는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 더 무거운 희토류 삼tell루라이드(Dy, Ho, Er, Tm)에서 관측된 두 번째 CDW 전이의 원인은 무엇인가?
• RQ3 왜 두 번째 CDW 파장벡터는 첫 번째와 수직으로 배열되어 있으며, 그 크기와 순서 매개변수는 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ4 CDW 형성은 어느 정도까지 피에르 표면 정렬에 의해 유도되며, 격자 상수 변화에 따라 이는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 RTe₃ 시스템은 CDW 시스템에서 불완전한 피에르 표면 정렬을 연구하는 데 모델 시스템으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• TmTe₃에서 244(3) K에서 SmTe₃에서 416(3) K로 증가하는 CDW 전이 온도 Tc1은 이온 반지름 감소에 따라 증가하는 피에르 레벨에서의 상태 밀도에 기인하여 200 K 이상의 변화를 보인다.
• Dy, Ho, Er, Tm에서는 낮은 온도에서 두 번째 CDW 전이가 관측되며, 파장벡터 q₂ ≈ 1/3 a*가 주요 q₁ ≈ 2/7 c* 파장벡터와 수직으로 배열되어 있다.
• 두 번째 CDW 상태는 두 개의 독립적인 순서 매개변수를 가지며 거의 같은 크기를 지닌 직사각형 CDW 상을 형성하여, 공존하지만 별개의 CDW 불안정성임을 나타낸다.
• 두 번째 CDW의 시작은 첫 번째 CDW에 의해 갭이 생기지 않는 잔류 피에르 표면 정렬 영역에 연관되어 있으며, 이 영역은 계열을 따라 Tc1가 감소함에 따라 점점 더 가용해진다.
• ARPES 및 광학 전도도 데이터는 CDW 갭 크기가 격자 상수에 비례하며, CeTe₃에서는 약 400 meV, SmTe₃에서는 약 280 meV에 도달함을 확인하였으며, 이는 더 큰 격자 상수를 가진 화합물에서 전자 상호작용이 강화됨을 일관되게 뒷받침한다.
• 이론적 계산은 ErTe₃의 피에르 표면이 두 개의 별개의 정렬 벡터 q₁ 및 q₂를 지니며, q₂가 관측된 두 번째 CDW와 대응함을 보여주며, EF에서의 상태 밀도는 격자 상수 증가와 함께 증가하여 Tc1와 상관관계가 있음을 밝혔다.