[论文解读] Carrier doping versus impurity potential effect in transition metal-substituted iron-based superconductors

S. Ideta, T. Yoshida+16 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2012

Iron-based superconductors research被引用 1

一句话总结

本研究利用角度分辨光电子能谱（ARPES）比较镍（Ni）、铜（Cu）和钴（Co）掺杂的122型铁基超导体中的电子掺杂效应，发现尽管名义掺杂量相同，但随着杂质势垒增强，参与费米面形成的有效电子数减少。结果表明，超导转变温度（Tc）和奈尔温度（TN）由费米面体积决定，而非名义电子浓度或掺杂剂含量。

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.

研究动机与目标

• 评估刚性能带模型在过渡金属取代的铁基超导体中的适用性。
• 研究不同掺杂剂（Ni、Cu、Co）产生的杂质势垒对电子结构和费米面拓扑的影响。
• 确定临界温度（Tc）和奈尔温度（TN）取决于名义电子浓度还是实际费米面体积。
• 比较具有相同名义电子掺杂的钴（Co）、镍（Ni）和铜（Cu）掺杂的Ba(Fe1−xMx)2As2体系的电子响应。

提出的方法

• 对Ba(Fe1−xMx)2As2（M = Ni, Cu, Co）单晶进行了角度分辨光电子能谱（ARPES）测量。
• 在不同掺杂水平（x）下绘制了电子能带结构和费米面拓扑。
• 识别了Ni和Cu掺杂剂相对于Fe 3d能带的d轨道贡献。
• 从ARPES数据中量化了电子和空穴费米面体积。
• 将费米面体积变化与名义电子数和杂质势垒相关联。
• 分析了费米面体积与超导转变温度（Tc）和奈尔温度（TN）之间的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 刚性能带模型在Ni和Cu掺杂的122体系中多大程度上能准确描述电子掺杂？
• RQ2 随着杂质势垒增强（从Co到Ni再到Cu），对费米面贡献的有效电子数如何变化？
• RQ3 这些体系中Tc和TN的最大值由什么决定：名义电子浓度还是实际费米面体积？
• RQ4 Ni和Cu的d轨道贡献与Fe 3d能带在电子结构中的比较如何？
• RQ5 为何在名义掺杂量相同的情况下，从Co-122到Ni-122再到Cu-122，有效电子数逐渐减少？

主要发现

• Ni 3d衍生态位于Fe 3d能带之下，而Cu 3d衍生态则位于更下方，表明杂质势垒效应显著。
• 电子和空穴费米面体积的变化符合刚性能带模型的预期，但相同名义掺杂下，从Co-122到Ni-122再到Cu-122，对费米面贡献的有效电子数减少。
• 尽管名义电子数相同，但根据费米面体积差异估算的额外电子总数随杂质势垒增强而减少。
• 超导转变温度（Tc）和奈尔温度（TN）的最大值由费米面体积决定，而非名义电子浓度或掺杂剂含量。
• 随着杂质势垒增强，有效电子数减少，表明由于强局域库仑相互作用或杂化效应，刚性能带模型失效。
• 结果表明，过渡金属取代的铁基超导体的相图由费米面拓扑决定，而非名义掺杂量。