[논문 리뷰] Heat capacity study of BaFe$_{2}$As$_{2}$: effects of annealing

C. R. Rotundu, Byron Freelon외 10명|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 17.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고순도 BaFe2As2 단일결정에서 700 °C에서 연속적인 소성을 거친 후 열용량, 저항률 및 X선 회절 측정을 통해 자화-구조 전이의 진화를 조사한다. 30일간의 소성 후 열용량 이질성이 1 K 이하의 너비로 뚜렷이 좁아지고 140.2 K로 이동하며 잔류 저항률 비율이 약 36으로 나타나 전자적 품질이 향상되고 잠재열을 수반한 1차 전이임을 뒷받침한다. 자화장에 의한 억제 없음은 이를 뒷받침한다.

ABSTRACT

Heat-capacity, X-ray diffraction, and resistivity measurements on a high-quality BaFe$_{2}$As$_{2}$ sample show an evolution of the magneto-structural transition with successive annealing periods. After a 30-day anneal the resistivity in the (ab) plane decreases by more than an order of magnitude, to 12 $μΩ$cm, with a residual resistance ratio $\sim$36; the heat-capacity anomaly at the transition sharpens, to an overall width of less than K, and shifts from 135.4 to 140.2 K. The heat-capacity anomaly in both the as-grown sample and after the 30-day anneal shows a hysteresis of $\sim$0.15 K, and is unchanged in a magnetic field $μ_{0}$H = 14 T. The X-ray and heat-capacity data combined suggest that there is a first order jump in the structural order parameter. The entropy of the transition is reported.

연구 동기 및 목표

• 소성이 고순도 BaFe2As2 단일결정에서 자화-구조 전이에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 소성 시간에 따른 저항률, 열용량 및 X선 회절 변화 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• 전이가 1차 또는 2차 전이인지 확인하고 샘플 역사에 대한 민감도를 평가하기 위해.
• 소성이 정오각형 상에서 전자적 및 격자 기여 열용량에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 자화장이 전이에 미치는 영향과 그 열역학적 성격을 조사하기 위해.

제안 방법

• 열용량 측정은 아르곤 가스 분雰위에서 700 °C에서 30일간의 소성을 거친 BaFe2As2 단일결정에 대해 Quantum Design 물리적 성질 측정 시스템(PPMS)을 사용하여 수행되었다.
• 저항률 측정은 전자적 품질과 잔류 저항률 비율(RRR)을 평가하기 위해 (ab) 평면에서 수행되었다.
• 동기광선 X선 회절은 고급 광원(6-ID 비트라인)을 이용해 구조적 변화와 결정 품질을 탐색하기 위해 사용되었다.
• 자화 및 외부 자기장 하에서의 열용량 측정은 최대 14 T의 자기장에서 수행되어 전이의 자기장 의존성을 평가하였다.
• 자료 분석에는 히스테리시스와 잠재열을 탐지하기 위한 가열 및 냉각 사이클 비교와, 저온 영역에서 전자적 및 격자 기여를 추출하기 위한 C/T vs. T² 플롯 분석이 포함되었다.
• 화학 스토이키오메트리의 확인은 인덕티브 결합 플라즈마(ICP) 및 전자 미세분석 WDS 분석을 통해 수행되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 700 °C에서 장기간의 소성이 BaFe2As2의 자화-구조 전이와 관련된 열용량 이질성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 소성이 BaFe2As2의 저항률과 잔류 저항률 비율에 미치는 영향은 무엇이며, 전자적 품질과의 상관관계는 어떠한가?
• RQ3 BaFe2As2의 자화-구조 전이가 히스테리시스와 잠재열을 나타내는가? 이는 1차 또는 2차 전이 성격을 어떻게 시사하는가?
• RQ4 14 T의 자기장이 전이에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 전이의 자기적 및 구조적 성격을 어떻게 드러내는가?
• RQ5 소성이 정오각형 상에서 저온 영역의 전자적 및 격자 열용량 기여에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 700 °C에서 30일간의 소성 후 (ab) 평면에서의 저항률은 12 μΩ cm로 감소하였고, 잔류 저항률 비율은 약 36으로 나타나 전자적 품질이 크게 향상됨을 시사한다.
• 30일간의 소성 후 열용량 이질성이 as-grown 표본에 비해 전체 너비가 1 K 이하로 좁아져 뚜렷이 날카러졌으며, 이는 전이의 정밀도 향상을 의미한다.
• 전이 온도는 as-grown 표본에서 135.4 K에서 30일간 소성 후 140.2 K로 이동하였다.
• 가열 및 냉각 사이클에서 as-grown 및 30일 소성 표본 모두에서 0.15 K의 히스테리시스가 관찰되어 잠재열을 수반한 1차 전이임을 시사한다.
• 14 T 자기장 하에서도 전이가 변화하지 않아 강한 자기장에 의한 억제가 없음을 나타내며, 이는 1차 구조 전이와 일치한다.
• 저온 영역에서의 전자적 및 격자 열용량 기여(C/T vs. T²)는 30일간의 소성에 의해 영향을 받지 않아 정오각형 상에서 상태 밀도나 격자 진동 스펙트럼의 변화가 없음을 의미한다.