[论文解读] 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 15

一句话总结

本研究通过高分辨率X射线衍射和电阻率测量，探究了化学压力如何调控稀土三碲化物RTe₃中的电荷密度波（CDW）转变。由于费米能级处态密度的变化，CDW转变温度从TmTe₃中的244(3) K单调增加至SmTe₃中的416(3) K。对于较重的稀土元素（Dy至Tm），在较低温度下出现第二个CDW转变，形成具有近乎相等大小的垂直波矢的矩形CDW态，其由第一CDW未能打开的剩余费米面嵌套驱动。

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.

研究动机与目标

• 理解化学压力对稀土系列中RTe₃化合物电荷密度波（CDW）转变温度的影响。
• 确定在较重稀土三碲化物（Dy、Ho、Er、Tm）中观察到的第二个CDW转变的起源。
• 将费米面嵌套特征和费米能级处的态密度变化与观测到的CDW行为相关联。
• 探讨晶格参数变化在调控低维系统中CDW序参量和对称性破缺中的作用。
• 确立RTe₃作为研究CDW形成过程中非理想费米面嵌套的模型体系。

提出的方法

• 在斯坦福同步辐射实验室（SSRL）使用9–13 keV X射线和1–2 mrad狭缝或Ge(111)晶体单色器，通过高分辨率单晶X射线衍射检测晶格调制。
• 采用四探针技术测量电阻率，配置为面内和b轴方向，使用16 Hz交流电桥和溅射金电极。
• 在SSRL的炉温系统下，从室温至450 K进行温度依赖性测量。
• 从衍射数据中提取晶格参数和结构调制，通过波矢分析识别CDW序参量。
• 采用基于密度泛函理论的LMTO能带结构计算，模拟费米面及其嵌套特征，识别出关键的波矢q₁ ≈ 2/7 c*和q₂ ≈ 1/3 a*，二者对CDW形成起决定性作用。
• 通过在稀土系列中连续调节面内晶格参数a，模拟化学压力，从La至Tm。

实验结果

研究问题

• RQ1 CDW转变温度Tc如何随化学压力在RTe₃系列中变化？
• RQ2 在最重的稀土三碲化物（Dy、Ho、Er、Tm）中观察到的第二个CDW转变的原因是什么？
• RQ3 为何第二个CDW波矢垂直于第一个波矢，其大小和序参量由什么决定？
• RQ4 CDW形成在多大程度上由费米面嵌套驱动，且该机制如何随晶格参数变化？
• RQ5 RTe₃体系能否作为研究CDW系统中非理想费米面嵌套的模型？

主要发现

• CDW转变温度Tc1从TmTe₃中的244(3) K单调增加至SmTe₃中的416(3) K，跨度超过200 K，这是由于离子半径减小导致费米能级处态密度增加。
• 在Dy、Ho、Er和Tm中，观察到在较低温度下的第二个CDW转变，其波矢q₂ ≈ 1/3 a*，垂直于主波矢q₁ ≈ 2/7 c*。
• 第二个CDW态形成具有两个独立序参量的矩形CDW相，其大小近乎相等，表明存在共存但独立的CDW不稳定性。
• 第二个CDW的出现与第一CDW形成后仍保持未打开的费米面嵌套区域有关，随着Tc1在系列中减小，这些区域变得越来越可用。
• 角分辨光电子能谱（ARPES）和光学电导率数据证实，CDW能隙大小与晶格参数成正比，在CeTe₃中达约400 meV，在SmTe₃中达约280 meV，与大晶格参数化合物中增强的电子关联一致。
• 理论计算表明，ErTe₃的费米面支持两个不同的嵌套矢量q₁和q₂，其中q₂对应于观测到的第二个CDW，且费米能级处的态密度随晶格参数增加而增大，与Tc1的变化相关。