鐵基超導(dǎo)體Li0.8Fe0.2ODFeSe的紅外光譜研究?

林桐 胡蝶 時立宇 張思捷 劉妍琦 呂佳林董濤 趙俊 王楠林?

1)(北京大學(xué)物理學(xué)院,量子材料科學(xué)中心,北京 100871)

2)(復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系,應(yīng)用表面物理國家重點實驗室,上海 200433)

測量和研究了鐵基超導(dǎo)體Li0.8Fe0.2ODFeSe單晶的紅外光學(xué)響應(yīng),發(fā)現(xiàn)室溫下光電導(dǎo)率譜不存在Drude分量,載流子具有非相干輸運行為.隨著溫度降低,Drude分量形成并不斷變窄,同時在相應(yīng)的反射率譜上出現(xiàn)清晰的等離子體邊,表明散射率急劇降低.在最低溫度,觀察到超導(dǎo)能隙形成導(dǎo)致的光譜變化,光電導(dǎo)率譜在160 cm?1以下受到顯著壓制.對比FeSe單晶的光譜數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)整體的光電導(dǎo)率譜型很相似,但自由載流子的譜重更低,揭示出樣品具有更低的載流子濃度.另外還觀察到溫度變化誘導(dǎo)的譜重由低頻向高頻區(qū)域轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象,表明其存在強關(guān)聯(lián)效應(yīng).

1 引 言

鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)已有十年時間,對其物性和超導(dǎo)機理的研究依然在深入和發(fā)展之中.在鐵基超導(dǎo)體家族中,不同結(jié)構(gòu)類型的材料體系的行為既有共性又有顯著差別,展現(xiàn)出豐富的物理現(xiàn)象[1?3].PbO型FeSe是具有最簡單結(jié)構(gòu)構(gòu)型的鐵基超導(dǎo)體,由邊緣共享的FeSe4-四面體層堆疊而成,其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度TC僅有8 K左右,但通過靜水加壓方式可提升至37 K[4].常壓下的FeSe超導(dǎo)體具有和FeAs基超導(dǎo)體類似的電子結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出布里淵區(qū)中心存在空穴型費米面,布里淵區(qū)頂角具有電子型費米面.對FeSe單晶樣品的紅外光譜測量表明,導(dǎo)電的自由載流子譜重(spectral weigh,SW)很低,當溫度低于結(jié)構(gòu)相變溫度TN～90 K時,低頻400 cm?1附近的SW會被抑制,顯現(xiàn)出能隙打開特征,并且存在由溫度變化誘導(dǎo)的載流子從低能到高能的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象[5].而在SrTiO3(STO)基底上生長的單層二維FeSe薄膜中,由角分辨光電子能譜(angle-resolved photoemission spectroscopy,ARPES)[6?8]和邁斯納實驗[9]測量的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可達60—70 K.

(Li,Fe)OHFeSe是近年來新發(fā)現(xiàn)的一種含有FeSe結(jié)構(gòu)單元的新型超導(dǎo)體,電阻和磁化率測量表明其具有較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度TC(40—43 K)[10].X射線衍射和中子粉末衍射測量揭示其晶體結(jié)構(gòu)是由(Li,Fe)OH層與FeSe層的交替嵌套所形成[11].尤其是ARPES實驗對其能帶結(jié)構(gòu)的研究表明,該結(jié)構(gòu)材料只在布里淵區(qū)頂角上存在電子型費米面,在布里淵區(qū)中心無空穴型費米面,表現(xiàn)出重電子摻雜行為;在進入超導(dǎo)態(tài)后,超導(dǎo)能隙幾乎是各向同性,是一個單帶的s波超導(dǎo)體[12?14].這些特征與KxFe2Se2和STO基底上生長的單層FeSe薄膜一致,但與FeSe單晶體材料具有很大差別.

紅外光譜是研究材料電荷動力學(xué)和電子結(jié)構(gòu)的重要實驗手段,它能夠同時探測材料的自由載流子響應(yīng)和帶間躍遷.利用紅外光譜技術(shù),人們已經(jīng)對鐵基超導(dǎo)體的多個體系開展了大量研究,獲得了豐富的信息.但是對于電子重摻雜的FeSe系統(tǒng)尚缺乏相關(guān)研究,這是由于KxFe2Se2體系無法避免其中含有K2Fe4Se5絕緣相的貢獻,生長在STO基底上的單層FeSe薄膜難以從超高真空腔體轉(zhuǎn)移出樣品和開展紅外光譜實驗,并且也較難提取出單純的FeSe超導(dǎo)層的性質(zhì).本工作主要運用紅外光譜實驗手段對鐵基超導(dǎo)體Li0.8Fe0.2ODFeSe單晶ab面內(nèi)反射率進行系統(tǒng)的測量,獲得了較好的實驗數(shù)據(jù),并與單晶FeSe超導(dǎo)體進行對比.

2 實驗測量

實驗使用的Li0.8Fe0.2ODFeSe單晶樣品由復(fù)旦大學(xué)趙俊研究組提供,采用文獻[11]報道的離子交換方法制備,單晶樣品合成過程中做了氘化處理,其基本物理性質(zhì)與非氘化樣品無明顯差異[15].利用綜合物性測量系統(tǒng)(physical property measurement system,PPMS)得到樣品溫度依賴的電阻率曲線,可以明顯看到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在41 K(圖1).紅外光譜測量是利用Bruker IFS 80 V/s和113 V傅里葉變換光譜儀完成,探測的頻譜范圍為30—26000 cm?1.采用樣品表面原位鍍金膜或鋁膜來獲得樣品的反射率譜R(ω),再通過Kramers-Kronig變換得到樣品的光電導(dǎo)率實部σ1(ω)和虛部σ2(ω)[16].

圖1 Li0.8Fe0.2ODFeSe單晶的電阻率隨溫度變化曲線Fig.1.Temperature-dependent resistivity of Li0.8Fe0.2 ODFeSe single crystals.

3 結(jié)果與討論

圖2顯示在不同溫度測量的樣品反射率譜R(ω)和光電導(dǎo)率譜σ1(ω), 其中圖2(a)和圖2(b)顯示較寬的頻譜范圍(6000 cm?1,～0.75 eV),而圖2(c)和圖2(d)顯示低頻區(qū)域光譜.從圖2(b)和圖2(d)光電導(dǎo)率譜上可以看出,室溫下(300 K)的光譜曲線與其余溫度的曲線表現(xiàn)出較大差異,隨著頻率降低,低頻電導(dǎo)率下降,即不存在Drude分量,反映出非相干的載流子輸運行為.但是隨著溫度降低,Drude分量迅速出現(xiàn),而且其峰寬逐漸變窄.特別是在100 K以下,這種變化更加明顯,對應(yīng)的反射率譜也呈現(xiàn)出清晰的等離子體邊,這表明與Drude分量相關(guān)的導(dǎo)電載流子所受到的散射率迅速降低,與后面的定量分析結(jié)果(表1)相一致.與此不同,FeSe單晶的反射率譜上一直存在較為明顯的等離子體邊,并且隨溫度變化較弱[5].此外相對于FeSe單晶,插入(Li,Fe)OD層雖然引起電子的過摻雜效應(yīng),導(dǎo)致超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度升高,但是自由載流子貢獻的SW卻有所下降,反映出重電子摻雜的Li0.8Fe0.2ODFeSe單晶比FeSe單晶具有更低的載流子濃度.

從圖2(c)和圖2(d)中,還發(fā)現(xiàn)10 K的曲線有明顯的變化,在頻率低于160 cm?1以下,10 K和43 K的兩個溫度的反射率曲線開始分離,10 K的反射率曲線迅速地接近1;而在光電導(dǎo)率譜近似能量的位置,兩條溫度曲線也出現(xiàn)差異,10 K的光電導(dǎo)率曲線迅速下降到接近于0.這種顯著的變化與Li0.8Fe0.2ODFeSe的超導(dǎo)能隙形成有關(guān),由光電導(dǎo)譜估測的超導(dǎo)能隙(2?g)大約在100 cm?1(～12.5 meV)附近,該數(shù)值明顯小于ARPES測量給出的結(jié)果(2?g=21 meV)[12].這種差異值需要進一步研究.通常從紅外光譜測量觀察到能隙需要高質(zhì)量樣品,因為樣品容易在空氣中氧化,在光譜實驗安裝樣品和調(diào)整光路過程中,會不可避免地使樣品暴露在空氣中,可能會導(dǎo)致樣品表面出現(xiàn)退化效應(yīng).此外在100 cm?1附近觀察到一個很強的聲子,其疊加在能隙打開引起反射率變化的最大位置上導(dǎo)致100 cm?1附近光譜變化尤其顯著.

在160 cm?1以下丟失的自由載流子SW(見圖2(d)插圖),是由于樣品進入超導(dǎo)態(tài)形成超流凝聚所導(dǎo)致的,丟失的SW 轉(zhuǎn)移到了零頻δ函數(shù).由此可以估算超流電子相對應(yīng)的等離子體頻率ωps[17]為進而再由公式λ=c/ωps可以估算出穿透深度λ=4000—4900 ?.另外一種估測穿透深度的方法通過光電導(dǎo)率虛部σ2(ω)在低頻極限(零頻)獲得[17],即

圖2 不同溫度時樣品的反射率譜R(ω)和光電導(dǎo)率譜σ1(ω) (a)頻率上限6000 cm?1的反射率譜;(b)頻率上限6000 cm?1的光電導(dǎo)率譜;(c)擴大頻率在800 cm?1以下的反射率譜;(d)擴大頻率在800 cm?1以下的光電導(dǎo)率譜圖,其中零頻上的點代表靜態(tài)電阻率,插圖展示的是10 K和43 K的光電導(dǎo)率譜圖,其中陰影部分代表超導(dǎo)能隙打開而丟失的SWFig.2.Optical ref l ectance R(ω)and conductivity σ1(ω)spectra at dif f erent temperatures:(a)R(ω)spectra up to 6000 cm?1;(b) σ1(ω)spectra up to 6000 cm?1;(c)an expanded plot of R(ω)spectra below 800 cm?1;(d)an expanded plot of σ1(ω)spectra below 800 cm?1.The points on the zero frequency in(d)represent the static resistivity.The inset shows σ1(ω)at 10 K and 43 K.The shaded area represents the missing area due to the opening of superconducting energy gap.

代入光電導(dǎo)率虛部,就可以獲得低頻下倫敦穿透深度λ(ω),如圖3所示. 在接近零頻極限時λ≈4000 ?,由此可以看到兩種方法得到的穿透深度基本一致.

另外從圖2(c)和圖2(d)中發(fā)現(xiàn),在低頻范圍內(nèi)存在多個聲子模式,如100,240,300,430,520 cm?1和580 cm?1等位置. 隨著溫度的升高,其強度有所減弱,并且其頻率也輕微軟化(向高頻移動).與FeSe單晶[5]和其他的鐵基超導(dǎo)體[18?20]對比,超過300 cm?1的幾個聲子主要來自(Li,Fe)OD層的振動模式.

為進一步從數(shù)據(jù)中提取定量信息,我們采取Drude-Lorentz模型進行分析,將光電導(dǎo)率拆分成不同組分擬合.按此模型,介電函數(shù)的形式為[5,19]

圖3 10 K溫度下隨頻率變化的倫敦穿透深度λ(ω)Fig.3. Frequency dependent London penetration depth λ(ω)at 10 K.

其中ε∞是在高頻率下的介電常數(shù),(3)式右邊中間項和第三項分別表示Drude和Lorentz分量,而復(fù)光電導(dǎo)率可繼續(xù)由(4)式推出,

我們使用一個Drude分量和多個Lorentz分量就可以比較好地擬合光電導(dǎo)率譜圖,這樣也會直接得到等離子體頻率ωp,而FeSe單晶測量數(shù)據(jù)擬合則必須要計入兩個Drude分量[5].作為例子,圖4顯示了按照Drude-Lorentz模型對100 K溫度下對光電導(dǎo)譜擬合的結(jié)果,其中圖4(a)是低頻區(qū)域,圖4(b)是較寬頻率區(qū)間.表1顯示不同溫度擬合得到的相關(guān)參數(shù)(其中Γ對應(yīng)Drude分量的峰寬,Γ1,Γ2分別對應(yīng)Lorentz1和Lorentz2分量的峰寬).可以看出,自由載流子對應(yīng)等離子體頻率顯著小于FeSe單晶樣品的等離子體頻率,反映出過摻雜的Li0.8Fe0.2ODFeSe單晶具有更低的載流子濃度.另外,除了常溫300 K下Drude分量的消失,在200 K其中一個Lorentz分量也消失了.

而另一種計算自由載流子等離子體頻率的方式是使用SW求和定則

即通過對光電導(dǎo)率實部對自由載流子SW積分而獲得,其中積分上限選擇Drude譜型與Lorentz譜型交疊導(dǎo)致的光電導(dǎo)率極小值相應(yīng)頻率位置.以100 K曲線為例,如取ωc～500 cm?1,按求和公式可得等離子體頻率大約為5300 cm?1,與上述擬合曲線得到的參數(shù)值一致(見表1).

表1 在低頻下Drude-Lorentz擬合的參數(shù)列表Table 1.Parameters of Drude-Lorentz f i tting at low frequencies.

圖4 100 K光電導(dǎo)率σ1(ω)的實驗數(shù)據(jù)和Drude-Lorentz擬合結(jié)果 (a)較低頻率;(b)較寬頻率Fig.4.The experimental data of σ1(ω)at 100 K and the Drude-Lorentz f i tting results:(a)At a low-frequency range;(b)at a broad frequency range.

圖5 (a)顯示的是Li0.8Fe0.2ODFeSe的光電導(dǎo)率積分SW隨截止頻率的變化,結(jié)合圖2(b)的光電導(dǎo)率譜,可以觀察到隨著溫度的降低,3000—4000 cm?1的寬峰變窄,并向高能移動,而1000—2000 cm?1附近的光電導(dǎo)率和其積分SW都有所下降,出現(xiàn)由溫度引起的SW由低能向高能的轉(zhuǎn)移.這種SW轉(zhuǎn)移現(xiàn)象也存在于FeSe單晶和其他FeAs類的鐵基超導(dǎo)體材料中,這被認為是由具有不同巡游和局域程度的Fe 3d不同軌道電子之間的洪德耦合效應(yīng)所導(dǎo)致的[21].進一步利用擴展的Drude模型公式[22,23]

計算了低頻自由載流子的散射率τ?1(ω).圖5(b)是不同溫度下散射率隨頻率的變化行為,可以看出在很低頻率時散射率隨溫度降低而迅速減小,表明樣品的金屬性變得越來越好.

圖5 不同溫度時光電導(dǎo)率的積分SW和散射率隨頻率的變化 (a)截止頻率依賴的積分SW曲線;(b)頻率依賴的散射率曲線Fig.5.Variation of optical conductivity accumulated spectral weight and scattering rate with frequency at dif f erent temperature:(a)Cutof ffrequency dependent accumulated spectral weight;(b)frequency dependent scattering rate.

4 總 結(jié)

測量和研究了鐵基超導(dǎo)體Li0.8Fe0.2ODFeSe單晶的紅外光譜.實驗表明室溫下光電導(dǎo)率譜并不存在Drude分量,載流子具有非相干輸運行為.隨著溫度降低,Drude分量逐漸形成并不斷變窄,同時在相應(yīng)的反射率譜出現(xiàn)清晰的等離子體邊,表明散射率急劇降低.樣品進入超導(dǎo)態(tài)后,光電導(dǎo)率譜在160 cm?1范圍以內(nèi)受到明顯抑制,反映出超導(dǎo)能隙的形成和超導(dǎo)凝聚的發(fā)生.我們還觀察到溫度變化引起的SW轉(zhuǎn)移現(xiàn)象.對比單晶FeSe的光譜數(shù)據(jù),整體光電導(dǎo)率譜型很相似,但自由載流子所占的SW明顯較小,具有更低的載流子濃度.此外,我們對測量的光譜數(shù)據(jù)進行了定量分析,估算了正常態(tài)自由載流子對應(yīng)的等離子體頻率,超導(dǎo)凝聚導(dǎo)致的穿透深度和相應(yīng)的能隙大小.