[論文レビュー] Direct imaging of the structural domains in iron pnictides AFe2As2 (A = Ca, Sr, Ba)

M. A. Tanatar, A. Kreyßig+6 more|ArXiv.org|Apr 15, 2009

Iron-based superconductors research被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、偏光光顕微鏡および高エネルギー同期放射X線回折を用いて、鉄 arsenide系母体化合物AFe2As2（A = Ca, Sr, Ba）における45°構造的 twins（二重領域）を直接画像化した。これらの領域は10–50 μmの周期性を示す規則的なストライプパターンを形成し、c軸全厚さにわたり延在しており、熱的サイクリングに伴い90°再配向することが判明した。これは、正方晶から正交晶への歪みに起因する体積的対称性破れ転移を示している。

ABSTRACT

The parent compounds of recently discovered iron-arsenide superconductors, $A$Fe$_2$As$_2$ with alkaline earth $A$=Ca, Sr, Ba, undergo simultaneous structural and magnetic phase transitions at a temperature $T_{SM}$. Using a combination of polarized light microscopy and spatially resolved high-energy synchrotron X-ray diffraction we show that the orthorhombic distortion leads to the formation of 45$^o$-type structural domains in all parent compounds. Domains penetrate through the sample thickness in the $c$- direction and are not affected by crystal defects such as growth terraces. The domains form regular stripe patterns in the plane with a characteristic dimension of 10 to 50 $μm$. The direction of the stripes is fixed with respect to the tetragonal (100) and (010) directions but can change by 90$^o$ on thermal cycling through the transition. This domain pattern may have profound implications for intrinsic disorder and anisotropy of iron arsenides.

研究の動機と目的

• 母鉛鉄 arsenide超伝導体AFe2As2（A = Ca, Sr, Ba）の正方晶から正交晶への転移温度TSM未満における構造的領域を直接可視化すること。
• 補完的光学およびX線技術を用いて、これらの領域の空間的形状、方位、三次元的広がりを特定すること。
• 結晶欠陥および熱的サイクリングが領域構造および安定性に与える影響を評価すること。
• 領域形成と鉄 arsenidesにおける電子的異方性の関係を調査すること。
• AFe2As2化合物における相転移を引き起こす要因が構造的秩序か磁気的秩序かを明確にすること。

提案手法

• CaFe2As2、SrFe2As2、BaFe2As2の剥離単結晶を用い、5 Kで偏光光顕微鏡を用いて表面領域のコントラストを撮影した。
• 0.1×0.1 mm²のビーム分解能を有する高エネルギー同期放射X線回折（99.6 keV）を用い、c軸に沿って全サンプル厚さをプローブした。
• サンプルの段階的移動により全領域走査を実施し、領域パターンおよび回折ピークの逆空間分割をマップした。
• (220)および(200)回折反射の逆空間解析により、領域の種別と方位を確認した。分割パターンから45°二重境界が示唆された。
• TSMを通過する熱的サイクリングを用いて、領域の再配向およびパターンの可逆性を検証した。
• 領域間で光学的およびX線回折パターンを比較した結果、領域がc軸全厚さにわたり延在していることが確認され、それが体積的現象であることが裏付けられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TSM未満におけるAFe2As2（A = Ca, Sr, Ba）の構造的領域の空間的形状および方位は何か？
• RQ2 構造的領域はc軸全厚さにわたり延在しているのか、それとも表面に限定されているのか？
• RQ3 領域パターンはTSMにおける相転移を通過する熱的サイクリングにどのように応答するか？
• RQ4 領域構造と母鉄 arsenidesにおける正交晶歪みの関係は何か？
• RQ5 成長段差などの結晶欠陥は、領域形成および可視性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• AFe2As2（A = Ca, Sr, Ba）における構造的領域は、ab面に10–50 μmの特徴的な周期性を示す規則的なストライプパターンを形成する。
• 領域は45°型であり、正交晶格子において(110)および(1 1̄ 0)方向に境界が整列しており、a軸に沿った歪みと整合的である。
• 高エネルギーX線回折により、領域がc軸全厚さにわたり延在していることが確認され、それが体積的現象であることを裏付けた。
• TSMを通過する熱的サイクリングに伴い、領域パターンが90°再配向することが観察され、可逆的かつ対称性破れの転移であることが示された。
• 成長段差などの結晶欠陥の影響を受けないため、領域構造は本質的であり、相転移に起因するものであることが示された。
• 高分解能でのX線パターンに領域分割が認められないことから、領域はミクロンスケールの領域にわたり大規模かつ一様であることが示唆された。