[论文解读] Optical study of the metal-insulator transition in CuIr$_2$S$_4$ crystals

NL Wang, GH Cao+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2004

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究通过红外光谱研究了CuIr₂S₄单晶中的金属-绝缘体转变（MIT），发现该MIT由结构重构引发，导致形成Ir³⁺/Ir⁴⁺八聚体并发生自旋二聚化。关键发现是在0.15 eV处出现突然打开的光学带隙，以及在0.5 eV处出现由二聚化Ir⁴⁺子能带内跃迁引起的峰，证实了能带结构重构，而非莫特转变。

ABSTRACT

We present measurements of the optical spectra on single crystals of spinel-type compound \cis. This material undergoes a sharp metal-insulator transition at 230 K. Upon entering the insulating state, the optical conductivity shows an abrupt spectral weight transfer and an optical excitation gap opens. In the metallic phase, Drude components in low frequencies and an interband transition peak at $\sim 2 eV$ are observed. In the insulating phase, a new peak emerges around $0.5 eV$. This peak is attributed to the transition of electrons from the occupied Ir$^{3+}$ $t_{2g}$ state to upper Ir$^{4+}$ $t_{2g}$ subband resulting from the dimerization of Ir$^{4+}$ ions in association with the simultaneous formations of Ir$^{3+}$ and Ir$^{4+}$ octamers as recently revealed by the x-ray diffraction experiment. Our experiments indicate that the band structure is reconstructed in the insulating phase due to the sudden structural transition.

研究动机与目标

• 理解在230 K时CuIr₂S₄中一阶金属-绝缘体转变（MIT）的电子起源。
• 利用高质量单晶的光学光谱研究电子结构在MIT过程中的演化。
• 确定MIT是否源于电荷有序、自旋二聚化或能带重构。
• 将光学响应与近期X射线衍射结果（显示存在Ir₈³⁺和Ir₈⁴⁺八聚体）相关联。
• 阐明绝缘相中光学带隙的本质以及低能激发的起源。

提出的方法

• 在单晶上使用Bruker 66v/S FTIR光谱仪，从100至28000 cm⁻¹进行近正入射反射率测量。
• 通过反射率数据的Kramers-Kronig变换推导出光学电导率谱，低频区采用Hagen-Rubens外推法，高频区采用ω⁻⁴依赖关系。
• 采用原位包覆技术以确保对小而薄的单晶获得可靠数据。
• 在单晶（高于500 cm⁻¹）和多晶样品（远红外区）上收集光谱数据。
• 通过双Drude组分和一个Lorentz振子拟合数据，以模拟金属响应和带间跃迁。
• 通过将低频区电导率上升边缘外推至零，估算光学带隙。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了CuIr₂S₄在230 K时的突然金属-绝缘体转变？
• RQ2 电子结构，特别是Ir 5d能带，在MIT过程中如何重构？
• RQ3 绝缘相中新出现的0.5 eV峰的起源是什么？
• RQ4 光学电导率如何随温度演化，它揭示了带隙的何种本质？
• RQ5 MIT是由电荷有序、自旋二聚化，还是结构与电子不稳定性共同驱动的？

主要发现

• 在金属相中，光学电导率显示两个Drude组分，等离子体频率分别为约7000 cm⁻¹和20000 cm⁻¹，表明存在涉及杂化Ir t₂g和S 3p态的多带导电。
• 在230 K进入绝缘相时，出现一个尖锐的0.15 eV（1200 cm⁻¹）光学带隙，与直流电阻率测量结果一致。
• 在绝缘相中，约0.5 eV处出现一个新峰，归因于来自占据的Ir³⁺ t₂g态到由自旋二聚化Ir⁴⁺离子形成的上层Ir⁴⁺ t₂g子能带的跃迁。
• 约2 eV处的β组分在两个相中均持续存在，被归因于从占据的Ir t₂g到空的Ir e_g带的跃迁，表明即使在T_MI以上也存在未占据的e_g态。
• MIT与结构畸变直接相关，形成Ir₈³⁺和Ir₈⁴⁺八聚体的独立绝缘簇，自旋二聚化抑制了泡利顺磁性。
• 从10 K到228 K，能带隙几乎保持不变，表明其为与结构转变相关的基态性质，而非热展宽效应。