[論文レビュー] Morphology of Superconducting FeSe thin films deposited by co-sputtering and MBE

Eike Venzmer, Alexander Kronenberg+2 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2015

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、rfスパッタリングと分子線エpitaxial (MBE) による成長が行われたFeSe薄膜の形態と超伝導特性を比較した。スパッタリング法で得られた薄膜は滑らかで亀裂のない表面を示し、粗さは約100 nmであったのに対し、MBE法で成長した薄膜は微小な亀裂を示し、粗さが高かった。スパッタリング法で得られた薄膜は、中間温度Tcが8.5 Kに達し、優れた形態を示した。これにより、将来の非単純超伝導の表面感受性研究が可能となる。

ABSTRACT

The presumably unconventional superconductor Beta-FeSe was deposited by radio frequency sputtering and molecular beam epitaxy (MBE) from two elementary sources. Superconducting thin films were grown in (001)-orientation on MgO(100) and YAlO3(010) substrates. The morphology of the samples was studied and directly related to the superconducting properties of the Beta-FeSe thin films. The MBE grown thin films show microcracks down to the substrate and a roughness of about 100~nm. In contrast, sputter deposited superconducting thin films show a smooth surface with almost no precipitates. In both cases resistive superconducting transitions with critical temperature up to 8.5 K were observed. However, the smoothness of the sputter deposited films is crucial for future surface dependent investigations.

研究の動機と目的

• rfスパッタリングとMBE法で成長したFeSe薄膜の形態的および超伝導的特性を比較すること。
• 薄膜の形態が、非単純超伝導の表面および界面依存性研究に与える影響を特定すること。
• 共スパッタリングを用いた化学 stoichiometry の制御を最適化し、薄膜の品質および超伝導性能を向上させること。
• スパッタリング法で得られたFeSe薄膜が、滑らかさと微小亀裂の欠如により、将来の表面感受性実験に優れたプラットフォームを提供できることを示すこと。

提案手法

• rfスパッタリング法を用い、別々のFeおよびSeターゲットから、MgO(100)およびYAlO3(010)基板上にエpitaxial FeSe薄膜を成長させた。
• MBE成長では、電子ビーム蒸発源からFeを共昇華し、効率セルからSeを供給し、基板温度350 °Cで成長を行った。
• rfスパッタリング法では、基板全体にわたってFe/Se比のストアジオメトリック勾配を実現し、1枚の薄膜内で組成依存性の特性を調査可能とした。
• 構造的特徴の評価には、X線回折(XRD)およびθ/2θスキャンを用い、部分照射法を用いて組成の変動をマッピングした。
• 表面形態の分析には、走査型電子顕微鏡(SEM)および原子間力顕微鏡(AFM)を用いた。
• 電気的輸送特性の測定には、4点プローブ配置を用い、電流をFe/Se勾配に対して平行および垂直に印加した。また、局所的測定のための狭いストリップをフォトレジストパターン形成により定義した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 rfスパッタリング法とMBE法によるFeSe薄膜の形態には、どのような相違があるか？
• RQ2 FeSe薄膜において、化学組成と表面形態の関係は何か？
• RQ3 FeSe薄膜におけるストアジオメトリック勾配に伴う超伝導転移温度Tcの変化はどのように変化するか？
• RQ4 rfスパッタリング法で成長したFeSe薄膜は、非単純超伝導の表面感受性研究に適した高品質な形態を達成できるか？
• RQ5 スパッタリング法で成長したFeSe薄膜の臨界電流密度はどの程度であり、単体結晶と比較してどうなるか？

主な発見

• スパッタリング法で成長したFeSe薄膜は、粗さが約100 nmで微小亀裂のない滑らかな表面を示したのに対し、MBE法で成長した薄膜は微小亀裂を示し、粗さが高かった。
• スパッタリング法で得られた薄膜のTcの中間温度Tc,midpointは8.5 Kに達し、電流をFe/Se勾配に対して垂直に印加した場合、遷移幅ΔTc ≈ 1.1 Kという狭い遷移幅を示した。
• EDXにより、スパッタリング法で成長した薄膜におけるFe/Se比に20%の変動が確認され、化学組成が非化学 stoichiometry に逸脱した領域では、顕著な形態的変化および不純物相の生成が観察された。
• フォトレジストパターン形成により作成されたストリップでは、中央部のTc,midpointが5.8 Kに低下しており、加工過程による劣化または最適な領域を逃した可能性が示唆された。
• 4.2 Kにおける臨界電流密度jcは約6.8 × 10³ A/cm²で測定され、バルクβ-FeSe単結晶（1.8 Kにおける約10⁴ A/cm²）と同等の値を示し、顕著な超伝導体積が存在することが示された。
• XRDのθ/2θスキャンにより、(001)方向に整列したエpitaxial成長が確認され、非化学 stoichiometry の組成領域ではFe3Se4不純物相が検出された。