[论文解读] Nematic properties of FeSe$_{1-x}$Te$_{x}$ crystals with a low Te content

E. A. Ovchenkov, Д. А. Чареев+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2019

Iron-based superconductors research参考文献 29被引用 6

一句话总结

本研究调查了低Te掺杂FeSe1-xTex单晶（x = 0.17, 0.21, 0.25）中的向列序性质，通过在高温下采用助熔法合成高质量样品以稳定固溶体。输运测量显示在~70–60 K出现向列相变，当x > 0.17时发生空穴-电子载流子类型反转，且弹光电阻率符号由正转负，表明向列序具有强烈的电子起源，与费米面拓扑结构和量子临界性密切相关。

ABSTRACT

We report on the synthesis and physical properties of FeSe$_{1-x}$Te$_x$ single crystals with a low Te content (x = 0.17, 0.21, 0.25), where the replacement of Se with Te partially suppresses superconductivity. Resistivity and Hall effect measurements indicate weak anomalies at elevated temperatures ascribed to nematic transitions. A quasi-classical analysis of transport data, including in a pulsed magnetic field of up to 25 T, confirms the inversion of majority carriers type from holes in FeSe to electrons in FeSe$_{1-x}$Te$_x$ at x $>$ 0.17. The temperature-dependent term in the elastoresistance of the studied compositions has a negative sign, which means that for substituted FeSe compositions, the elastoresistance is positive for hole-doped materials and negative for electron-doped materials just like in semiconductors such as silicon and germanium.

研究动机与目标

• 通过低Te含量（x < 0.3）的FeSe1-xTe x单晶合成高质量样品，以完善FeSe基体系的向列相图。
• 研究在化学压力下FeSe1-xTe x中向列序的出现及其与电子输运的相互作用。
• 确定FeSe1-xTe x中载流子类型反转及弹光电阻率行为随Te掺杂的变化。
• 探讨铁基超导体中向列序、费米面拓扑结构与量子临界性之间的关联。

提出的方法

• 采用在略高于FeSe分解点的温度下进行的助熔法合成高质量FeSe1-xTe x单晶，以增强Te的固溶度和扩散能力。
• 在最高25 T的磁场中进行电阻率和霍尔效应测量，以分析载流子类型和输运各向异性。
• 测量弹光电阻率以探测电子系统对应变的响应，通过在单轴应变下测量温度依赖的电阻率提取弹光电阻率系数C^EL。
• 采用三带模型拟合磁场中的霍尔效应和纵向电阻率数据（最高25 T），以提取载流子浓度和迁移率。
• 利用能谱分析（EDS）测定晶体中实际的Te含量（x_EDS），确认名义掺杂水平。
• 通过dρ_xx/dT的导数确定结构相变温度T_N，并从ρ_xx(T)曲线中提取超导转变温度T_c。

实验结果

研究问题

• RQ1 低Te掺杂（x < 0.3）是否在FeSe1-xTe x中诱导出向列相变？其相变温度为多少？
• RQ2 随着Te含量增加，FeSe1-xTe x中的载流子类型是否从空穴型反转为电子型？该转变在何种x值发生？
• RQ3 弹光电阻率系数C^EL的符号如何随Te掺杂演变？其揭示了向列序的何种电子本质？
• RQ4 FeSe1-xTe x中向列相变温度T_N与总载流子浓度n_∑之间是否存在相关性？
• RQ5 观测到的输运异常是否可由x ≈ 0.15附近的量子临界点解释，此时费米能级穿过范霍夫奇点？

主要发现

• 向列相变温度T_N从纯FeSe中的~85 K降低至x = 0.17时的~70 K，x = 0.21时的~60 K，以及x = 0.25时的~60 K，表明Te掺杂抑制了向列序。
• 在x > 0.17时，载流子类型从FeSe中的空穴型明确反转为FeSe1-xTe x中的电子型，该结果由霍尔效应和磁输运分析证实。
• 在FeSe1-xTe x（x = 0.17, 0.21, 0.25）中，弹光电阻率系数C^EL为负值，表明出现负弹光电阻，这是Ge和Si等电子掺杂体系的典型特征。
• 对于x = 0.17，三带拟合得到n_h = 11.5×10^19 cm⁻³（μ_h = 303 cm²/Vs），n_e1 = 11.9×10^19 cm⁻³（μ_e1 = 343 cm²/Vs），以及n_e2 = 0.32×10^19 cm⁻³（μ_e2 = 1830 cm²/Vs）。
• 对于x = 0.21，拟合结果为n_h = 13.3×10^19 cm⁻³（μ_h = 152 cm²/Vs），n_e1 = 14.7×10^19 cm⁻³（μ_e1 = 163 cm²/Vs），以及n_e2 = 0.11×10^19 cm⁻³（μ_e2 = 890 cm²/Vs），证实电子主导。
• 总载流子浓度n_∑的局部极小值与T_N的局部极大值相吻合，支持向列相变的电子起源。