[論文レビュー] Grain boundary characteristics of oxypnictide NdFeAs(O,F) superconductors

Iida, Kazumasa, Omura, Taito+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2019

Iron-based superconductors research被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、分子線エpitaxial法におけるNdOFキャピング層の低めの蒸着温度（700 °C）によりフッ素拡散を低減することで、NdFeAs(O,F)超伝導体の内在的界面エネルギー（GB）特性を調査した。Jcの抑制を示す臨界角θcは8.5°と決定され、この角度まで強結合的挙動を示すことが判明した。これは他の鉄系超伝導体と一致しており、秩序パラメータの拡張s波対称性を裏付けるものである。

ABSTRACT

We have systematically investigated the grain boundary (GB) angle dependence of transport properties for NdFeAs(O,F) fabricated on [001]-tilt symmetric MgO bicrystal substrates. In our previous study, NdFeAs(O,F) bicrystal films showed a weak-link behaviour even at a GB angle of 6{\deg}. However, this was caused by an extrinsic effect originating from the damage to both NdFeAs(O,F) and MgO substrate by excess F-diffusion along the grain boundary. To investigate the intrinsic nature of grain boundaries, we minimized the damage to NdFeAs(O,F) and MgO by reducing the deposition temperature of NdOF over-layer needed for F-doping. The resultant NdFeAs(O,F) bicrystal films have a critical angle of 8.5{\deg}, above which Jc starts to decrease exponentially. This critical angle is almost the same as those of other Fe-based superconductors.

研究の動機と目的

• NdFeAs(O,F)バイクリスタル膜におけるFドーピング時のフッ素拡散に起因する外部的損傷を排除すること。
• 高いTcおよび超伝導特性を維持できる最小のNdOF蒸着温度（Tdep）を特定すること。
• F誘起損傷を最小限に抑えることで、内在的界面エネルギー特性を分離して評価すること。
• 界面エネルギーの不整角度（θGB）に依存する臨界電流密度（Jc）の依存関係を測定すること。
• NdFeAs(O,F)の内在的GB挙動を他の鉄系超伝導体と比較すること。

提案手法

• 2段階成長法を用いた分子線エpitaxial法（MBE）：800 °CでNdFeAsOを成長させ、その後Tdep（600–800 °C）を変化させながらNdOFを蒸着。
• TdepごとのTcをマッピングし、超伝導性に悪影響を及げない最小Tdep（700 °C）を特定。
• θGB = 6°, 9°, 12°, 24°の[001]傾き対称MgO基板上にNdFeAs(O,F)バイクリスタル膜を形成。
• XRDおよびφスキャンを実施し、c軸配向および面内テクスチャーを確認。
• 輸送測定およびTEM測定の前段階として、NdOF層をArイオンミリングで除去。
• 四端子輸送測定を、GBを横断するおよびGBに沿わないマイクロブリッジで実施。Jc評価にはE = 1 µV/cm基準を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NdFeAs(O,F)膜において高いTcを維持できる最小のNdOF蒸着温度は何か？
• RQ2 NdOFのTdepを低減させることで、NdFeAs(O,F)超伝導体の内在的界面エネルギー特性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 NdFeAs(O,F)バイクリスタル膜において、Jcが指数関数的に減少し始める臨界角度（θc）は何か？
• RQ4 JGBc / JGrainc比はθGBにどのように依存するか？他の鉄系超伝導体と比較するとどうなるか？
• RQ5 F拡散損傷が、NdFeAs(O,F)膜における内在的GB挙動をどの程度隠蔽しているか？

主な発見

• 高いTcを維持できる最小のNdOF蒸着温度は700 °Cであった。
• Tdep = 700 °Cの条件下で、Jcの抑制を示す臨界角θcは8.5°であった。この角度を超えるとJcは指数関数的に減少した。
• θGB ≤ 8.5°の範囲では、粒内Jc（JGrainc）と粒間Jc（JGBc）が同等であったため、強結合的挙動が示された。
• JGBc / JGrainc比は8.5°まで1に保たれ、内在的GBの頑健性が確認された。
• 臨界角8.5°は、CoドープBa-122（θc ≈ 9°）およびFe(Se,Te)（θc ≈ 9°）と一致しており、同様のs波対称性を示唆している。
• 低温におけるJc値は約10⁵ A/cm²であり、800 °Cで成長させた膜と比較して1桁低い。これはキャリア濃度の低減に起因すると考えられる。