[论文解读] Electronic properties of single-crystalline Fe$_{1.05}$Te and Fe$_{1.03}$Se$_{0.30}$Te$_{0.70}$

GF Chen, Chen Zg+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2008

Iron-based superconductors research被引用 11

一句话总结

本研究通过输运性质、比热、磁化率和光学光谱学方法，研究了单晶 Fe₁.₀₅Te 与 Fe₁.₀₃Se₀.₃₀Te₀.₇₀ 的电子性质。结果表明，过量 Fe 离子引起强烈的杂质散射，导致电荷输运非相干化，且母相化合物中未观察到清晰的超导能隙；而在 Se 掺杂的超导体中，强散射虽抑制了 Tc，却导致上临界场异常升高，表明其为具有显著无序效应的脏态多带超导体。

ABSTRACT

We report on a comprehensive study of the transport, specific heat, magnetic susceptibility and optical spectroscopy on single crystal of Fe$_{1.05}$Te. We confirm that Fe$_{1.05}$Te undergoes a first-order phase transition near 65 K. However, its physical properties are considerably different from other parent compounds of FeAs-based systems, presumably attributed to the presence of excess Fe ions. The charge transport is rather incoherent above the transition, and no clear signature of the gap is observed below the transition temperature. Strong impurity scattering effect exists also in Se-doped superconducting sample Fe$_{1.03}$Se$_{0.30}$Te$_{0.70}$, leading to a relatively low T$_c$ but a rather high upper critical field.

研究动机与目标

• 理解过量 Fe 离子如何改变 Fe₁.₀₅Te 与 Fe₁.₀₃Se₀.₃₀Te₀.₇₀ 的电子与磁性性质。
• 探究尽管在约 65 K 处存在一级相变，Fe₁.₀₅Te 中为何未出现清晰的超导能隙。
• 确定 Se 掺杂超导体 Fe₁.₀₃Se₀.₃₀Te₀.₇₀ 中异常高上临界场 Hc2 的起源。
• 评估过量 Fe 在破坏费米面嵌套与共格自旋密度波序中的作用。

提出的方法

• 通过 ICP 分析验证成分，采用 Bridgeman 方法生长 Fe₁.₀₅Te 与 Fe₁.₀₃Se₀.₃₀Te₀.₇₀ 的单晶。
• 在 PPMS 中采用四探针法测量输运性质，温度低至 1.8 K。
• 在 1 T 外磁场下测量直流磁化率，以探测磁性相变。
• 利用热弛豫量热计测量比热，以检测电子与磁性贡献。
• 通过反射率数据的 Kramers-Kronig 变换，获得解理 ab 面表面的光学反射率与电导率，能量范围达 25,000 cm⁻¹。
• 采用五探针技术测量霍尔系数，以确定载流子类型与浓度。

实验结果

研究问题

• RQ1 过量 Fe 离子如何影响 Fe₁.₀₅Te 中的电子相干性与准粒子寿命？
• RQ2 尽管在约 65 K 处存在一级相变，为何 Fe₁.₀₅Te 中未观察到超导能隙的明确证据？
• RQ3 Fe₁.₀₃Se₀.₃₀Te₀.₇₀ 中异常高的上临界场 Hc2 是由何原因导致，尽管其 Tc 相对较低？
• RQ4 过量 Fe 如何改变 FeTe 基体系中的费米面嵌套与自旋密度波序？

主要发现

• Fe₁.₀₅Te 在 ~65 K 处经历一级相变，其电阻率在 TSDW 以上表现出类似半导体的行为，归因于非相干电荷输运。
• 在 TSDW 以上，光学电导率缺乏 Drude 成分，表明未形成具有长寿命的准粒子。
• 在 TSDW 以下，从非相干背景中出现微弱的 Drude 重量，但光学、霍尔与比热数据均未观察到清晰的超导能隙。
• Fe₁.₀₃Se₀.₃₀Te₀.₇₀ 的超导相转变温度 Tc 约为 11 K，Hc2 估计值为 51 T（ab 平面）与 31 T（c 轴），表明上临界场极高。
• 该高 Hc2 现象归因于随机分布的过量 Fe 离子引起的强杂质散射，与脏极限双能隙超导行为一致。
• 尽管理论预测化学计量比 FeTe 的 Tc 更高，但掺杂体系中较低的 Tc 很可能是由 Fe⁺ 离子引起的磁性散射所抑制。