Electronic structure studies of ferro-pnictide superconductors and their parent compounds using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) [Elektronische Ressource] / Thirupathaiah Setti. Betreuer: Alan Tennant

Thirupathaiah Setti

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• Publié par: technische_universitat_berlin
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 13
• Langue: English
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Extrait

Electronic structure studies of ferro-pnictide
superconductors and their parent compounds
using angle-resolved photoemission spectroscopy
(ARPES)
vorgelegt von
Magister in Physik
Thirupathaiah Setti
von der Fakult¨at II - Mathematik und Naturwissenschaften
der Technischen Universit¨at Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
-Dr . rer . nat. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. M. D¨ahne
Berichter: Prof. Dr. A. Tennant
Prof. Dr. J. Fink
Tag der wissenschaftlichen Aussprache 14 July 2011
Berlin 2011
D 83”Science is a wonderful thing if one does not have to earn one’s living at it.”
Albert EinsteinAbstract
The discovery of high temperature superconductivity in the iron pnictide com-
poundLaO F FeAswithT =26Khascreatedenormousinterestinthehigh-T1−x x c c
superconductorcommunity. Sofar,fourprototypesofcrystalstructureshavebeen
foundintheFe-pnictidefamily. Allfourshowastructuraldeformationfollowedor
accompaniedbyamagnetictransitionfromahightemperatureparamagneticcon-
ductortoalowtemperatureantiferromagneticmetalwhosetransitiontemperature
T varies between the compounds. Charge carrier doping, isovalent substitutionN
of the As atoms or the application of pressure suppresses the antiferromagnetic
spin density wave (SDW) order and leads to a superconducting phase. More re-
cently high T superconductivity has been also detected in iron chalchogenidesc
with similar normal state properties.
Sincesuperconductivityisaninstabilityofthenormalstate,thestudyofnormal
state electronic structure in comparison with superconducting state could reveal
important information on the pairing mechanism. Therefore, it is most important
to study the electronic structure of these new superconductors, i.e., to determine
Fermi surfaces and band dispersions near the Fermi level at the high symmetry
pointsinordertoobtainamicroscopicunderstandingofthesuperconductingprop-
erties. Using the technique angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES)
one measures the electrons ejected from a sample when photons impinge on it.
In this way one can map the Fermi surface which provides useful information
regarding the physics behind the Fermi surface topology of high T superconduc-c
tors. Furthermore,thistechniqueprovidesinformationonthebanddispersion,the
orbital character of the bands, the effective mass, the coupling to bosonic excita-
tions, and the superconducting gap. This emphasizes the importance of studying
the electronic structure of the newly discovered Fe-pnictides using ARPES.
In this work we have studied the electronic structure of the parent compounds
Ba(Eu)Fe As (122) and their superconducting derivatives using ARPES. In this2 2
way it is possible to obtain the important information on the Fermi surface nest-
ing conditions (between hole pockets at the Brillouin zone center and electron
pockets at the zone corner) as a function of electron doping, hole doping, and
isovalent substitution of P at the As site in Ba(Eu)Fe As . In particular, we stud-2 2
ied in-plane and out-of-plane (with respect to the FeAs layer) band dispersions
and Fermi surfaces. Our findings show that both electron and hole doping as wellas isovalent substitution of the As atoms by P atoms in the parent compound
Ba(Eu)Fe As reduces the nesting conditions which possibly leads to the disap-2 2
pearance of antiferromagnetic spin density wave order and to the emergence of
superconductivity. Moreover, we have performed the photon energy dependent
ARPES measurements along the zone center and the zone edge to reveal the di-
mensionality of the electronic structure as a function of doping. We observed that
due to the rigid-band nature of the electronic structure upon charge doping into
the parent 122 compounds, there is a transformation of the electronic structure
from quasi-2D to more 3D upon electron doping and to a more 2D nature upon
hole doping. Furthermore, we observe a non-rigid-type shift of the Fermi level
upon isovalent substitution of P at the As site in EuFe As compound. We also2 2
performed ARPES measurements on FeTe(Se) superconductors where we observe
a considerable difference in the electronic structure when compared to the 122
compounds, possibly related to a different crystal field splitting at the Fe atoms.Zusammenfassung
Die Entdeckung von Hochtemperatursupraleitung mit einem Sprungpunkt von Tc
= 26K in der Eisenpniktidverbindung LaO F FeAs hat in der Hochtemperatur-1−x x
Supraleitungs-Gemeinschaft enormes Interesse hervorgerufen. Bis jetzt wurden
vier Kristallstrukturen in den Eisenpniktid-Systemen gefunden, welche Hochtem-
peratursupraleitung zeigen. Alle vier zeigen im undotierten Fall bei tieferen Tem-
¨ ¨peratureneinenstrukturellenUbergang,gefolgtvoneinemmagnetischenUbergang
von einer paramagnetischen metallischen Phase in eine antiferromagnetische met-
allische Phase. Die Neel Temperatur variiert in den verschiedenen Verbindungen.
Eine Dotierung mit Ladungstr¨agern, eine Substitution von As durch isovalentes
P oder die Anwendung von Druck unterdrckt die antiferromagnetische Ordnung
und fu¨hrt zu einer supraleitenden Phase. Vor kurzem wurde Supraleitung auch
in Eisenchalcogeniden gefunden, welche ¨ahnliche normalleitende Eigenschaften
aufweisen.
DaSupraleitungdurcheineInstabilit¨atdesnormalleitendenZustandshervorger-
ufen wird, ergibt der Vergleich der normalleiten Eigenschaften mit den supraleit-
endenEigenschaftenwichtigeInformation u¨berdensupraleitendenParungsmech-
anismus. Daher ist es von großer Wichtigkeit, die elektronische Struktur dieser
neuen Supraleiter zu bestimmen. Insbesondere ist es wichtig, die Fermiober-
fl¨achen und die Banddispersion in der N¨ahe des Ferminiveaus zu vermessen um zu
einemmikroskopischenVerst¨andnisdersupraleitendenEigenschaftenzugelangen.
Mit der Methode der winkelaufgel¨osten Photoemissionsspektroskopie (ARPES)
misst man die kinetische Energie von emittierten Photoelektronen als Funktion
des Emissionswinkels. Auf diese Weise lassen sich die Fermiober߬achen eines
Kristalls vermessen, deren Topologie eng mit den physikalischen Eigenschaften
der Ferropnictidsupraleiter verknu¨pft ist. Weiterhin ergeben ARPES Messungen
nu¨tzliche Informationen u¨ber die Dispersion von Bu¨ndern, den orbitalen Charak-
ter von B¨andern, die effektiven Massen der Ladungstr¨ager, deren Kopplung an
bosonische Anregungen, sowie u¨ber die supraleitende Energielu¨cke.
In dieser Arbeit wurde die elektronische Struktur der undotierten Muttersub-
stanzen Ba(Eu)Fe As (122) Verbindungen, sowie deren abgeleiteten supraleit-2 2
enden Verbindungen mittels ARPES untersucht. Insbesondere wurden wichtige
Informationen u¨ber die Nestingbedingungen zwischen den Lochtaschen im Zen-
trum der Brillouinzone und den Elektrontaschen am Zonenrand als Funktion derElektronen- und Lochdotierung sowie als Funktion des chemischen Drucks (As
durch P Substituierung) erhalten. Daru¨ber hinaus wurde die Dispersion der
B¨ander parallel und senkrecht zu den FeAs Schichten bestimmt. Die Ergebnisse
zeigen, dass sowohl fu¨r Elektronen- und Lochdotierung, also auch bei Einfu¨hrung
eines chemischen Drucks die Nestingbedingungen reduziert werden, was m¨ogliche-
rweisezumVerschwindendesantiferromagnetischenZustandsundzurAusbildung
einer supraleitenden Phase fu¨hrt. Weiterhin wurden photonenenergieabh¨angige
ARPES Messungen durchgefu¨hrt und daraus Aussagen u¨ber die Dimensionalit¨at
der elektronischen Struktur erhalten. Beim der Dotierung mit Elektronen wurde
¨ein Ubergang von einer quasi-zweidimensionalen elektronischen Struktur zu einer
¨mehrdreidimensionalengefunden. UmgekehrtwurdebeiLochdotierungeinUberg-
ang in eine mehr zweidimensionale elektronische Struktur beobachtet. In beiden
¨F¨allen konnten die Anderungen in einem Model starrer B¨ander verstanden wer-
den. Bei der Substitution von As durch P konnten die Ergebnisse nicht in einem
ModelstarrerB¨anderbeschriebenwerden. SchließlichwurdenARPESMessungen
auch an FeTe(Se) Supraleitern durchgefhrt. Es wurde fu¨r diese Verbindungen eine
leicht ver¨anderte elektronische Struktur gefunden, die mo¨glicherweise durch das
unterschiedliche Kristallfeld an den Fe Atomen erkl¨art werden kann.Contents
Abstract iv
Zusammenfassung vi
1 Introduction 2
2 Overview on Fe-pnictide compounds 6
2.1 The pnictide family . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Structural and transport properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 1111 prototype compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2 122 prototype compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 111 and 11 prototype compounds . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Magnetic structure and phase diagram . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.1 1111 and 122 prototype compounds . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.2 11 and 111 prototype compounds . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Electronic band structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.1 Hole pockets and electron pockets . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2 Dimensionality of the electronic structure . . . . . . . . . . . 20
2.5 Correlations in