[논문 리뷰] Element substitution effect in transition metal oxypnictide Re(O$_{1-x}$F$_x$)TAs (Re=rare earth, T=transition metal)

G. F. Chen, Z. Li외 7명|ArXiv.org|2008. 03. 31.

Iron-based superconductors research인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 레어어스 기반 산화산화수소화합물 초전도체 Re(O₁₋ₓFₓ)TAs (Re = La, Ce, Nd, Eu, Gd, Tm; T = Fe, Ni, Ru)에서의 원소 치환 효과를 조사한다. 체계적으로 레어어스를 치환하고 플루오르인으로 도핑함으로써, Nd 및 Ce 기반 FeAs 체계에서 F에 의한 전자 도핑이 Tc를 약 50 K까지 향상시키는 것으로 밝혀졌으며, 반면 무거운 레어어스(예: Gd, Eu, Tm)는 초전도성을 억제하거나 안정한 상의 형성을 방해한다. 결과는 고온 초전도성의 안정화에 있어 레어어스 이온의 크기와 전자 구조가 결정적인 역할을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Different element substitution effects in transition metal oxypnictide Re(O$_{1-x}$F$_x$)TAs with Re=La, Ce, Nd, Eu, Gd, Tm, T=Fe, Ni, Ru, were studied. Similar to the La- or Ce-based systems, we found that the pure NdOFeAs shows a strong resistivity anomaly near 145 K, which was ascribed to the spin-density-wave instability. Electron doping by F increases T$_c$ to about 50 K. While in the case of Gd, the T$_c$ is reduced below 10 K. The tetragonal ZrCuSiAs-type structure could not be formed for Eu or Tm substitution in our preparing process. For Ni-based case, although both pure and F-doped LaONiAs are superconducting, no superconductivity was found when La was replaced by Ce in both cases, instead a ferromagnetic ordering transition was likely to form at low temperature in F-doped sample. We also synthesized LaO$_{1-x}$F$_x$RuAs and CeO$_{1-x}$F$_x$RuAs compounds. Metallic behavior was observed down to 4 K.

연구 동기 및 목표

• Re(O₁₋ₓFₓ)TAs 산화산화수소화합물에서 레어어스(Re) 및 전이금속(T) 치환의 초전도성 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• F 치환에 의한 전자 도핑이 초전도 전이 온도(Tc) 및 경쟁 전자 상에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 다양한 레어어스 원소에 걸쳐 ZrCuSiAs 유형의 정립체 구조의 구조적 안정성을 검토하기 위해.
• Ce 기반 NiAs 체계에서 초전도성을 억제하는 자기적 상호작용(예: 강자성 정렬)의 역할을 규명하기 위해.
• 특히 초전도성이 없는 금속적 거동를 보이는 CeO1-xFxRuAs에서의 전자 기저 상태를 탐구하기 위해.

제안 방법

• ReAs, ReF₃ 및 원소 As 또는 T 기반 산화물/ arsenide 를 원료로 사용하여 고체상 반응을 통해 Re(O₁₋ₓFₓ)TAs 화합물을 합성하였다.
• 상 순도 확보를 위해 진공 처리된 Ta 봉입된 텅스텐 유리 튜브에서 고온 열처리(1150 °C, 24–50시간)를 실시하였다.
• Cu Kα 방사선을 사용한 X선 회절 분석(XRD)을 통해 ZrCuSiAs 유형의 정립체 구조의 존재를 확인하였다.
• 표준 4점 측정법을 통해 전기 저항도를 측정하여 초전도 전이 및 전자 이질성 현상을 탐지하였다.
• ac 자기화성도 측정(10 Oe, 333 Hz)을 통해 부피 초전도성의 확인 및 Tc 전이 시작점을 탐지하였다.
• 온도 의존 자기모멘트 데이터 분석을 통해 초전도 전이와 강자성 전이를 구분하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La를 다른 레어어스 원소들(예: Nd, Ce, Gd, Eu, Tm)으로 치환할 경우, Fe 기반 산화산화수소화합물에서 초전도 전이 온도(Tc)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 F 도핑이 ReO1-xFxFeAs의 전자 상도도에 어떤 영향을 미치며, 특히 전자 밀도파 불안정성(SDW)과의 관계는 어떠한가?
• RQ3 동일한 합성 조건에서도 Eu 및 Tm 기반 산화산화수소화합물에서 ZrCuSiAs 유형의 구조 형성이 실패하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 Ni 기반 산화산화수소화합물(CeONiAs)에서 Ce 치환은 초전도성을 유지하는가, 아니면 경쟁적인 자기적 순서를 유도하는가?
• RQ5 CeO1-xFxRuAs에서 관찰된 저온 전이의 성격은 무엇이며, 왜 Ru 기반 체계에서는 초전도성이 존재하지 않는가?

주요 결과

• 순수한 NdOFeAs는 145 K 근처에서 저항도 비정상 현상을 보이며, 이는 피어미 표면의 네스팅에 기인한 스핀 밀도파(SDW) 불안정성으로 기인한다.
• NdOFeAs에서 F 도핑을 통해 Tc가 약 50 K까지 증가하며, 최적의 초전도성은 NdO1-xFxFeAs에서 x ≈ 0.12일 때 관찰된다.
• GdOFeAs는 F 도핑에 의해 저항도 비정상 현상이 낮은 온도로 이동하고 10 K 이하에서 급격한 감소를 보이지만, 저항도 0이 관찰되지 않아 Tc < 10 K임을 시사한다.
• Eu 및 Tm 치환은 동일한 합성 조건에서도 ZrCuSiAs 유형의 구조 형성을 실패하였으며, 이는 중량 레어어스 산화산화수소화합물에서의 구조 불안정성을 시사한다.
• CeO1-xFxNiAs는 초전도성을 보이지 않으며, 대신 약 10 K 이하에서 저항도 급격한 감소와 증가한 자기모멘트가 관찰되어 초전도성 대신 강자성 정렬이 발생함을 시사한다.
• LaO1-xFxRuAs 및 CeO1-xFxRuAs는 4 K까지 금속적 거동를 보이며 초전도 전이가 관찰되지 않아 Ru 기반 체계에서 비초전도 기저 상태임을 시사한다.