[논문 리뷰] LaFeAsO$_{1-x}$F$_{x}$ thin films: high upper critical fields and evidence of weak link behavior

S. Haindl, M. Kidszun외 10명|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 14.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 펄스 레이저 증착을 통해 LaAlO₃ 기반막에 초전도체 LaFeAsO₁₋ₓFₓ 박막을 성장시켜 Tc가 28 K에 도달함을 보고한다. 운반 측정 결과, 약 77 T의 파울리 제한 상한 임계장과 결정립 경계로 인한 약한 연결 행동에 대한 강력한 증거를 확인하였으며, 낮은 임계 전류 밀도에도 불구하고 주로 조지프슨 접합 및 위상 민감도 연구에 큰 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

High-quality superconducting LaFeAsO$_{1-x}$F$_{x}$ thin films were grown on single crystalline LaAlO$_{3}$ substrates with critical temperatures (onset) up to 28 K. Resistive measurements in high magnetic fields up to 40 T reveal a paramagnetically limited upper critical field, $μ_{0}H_{c2}$(0) around 77 T and a remarkable steep slope of -7.5 T/K near $T_{c}$. From transport measurements we observed a weak link behavior in low magnetic fields and the evidence for a broad reversible regime.

연구 동기 및 목표

• 최적의 Tc와 낮은 불순성 상ases를 갖는 고품질 초전도체 LaFeAsO₁₋ₓFₓ 박막을 성장시키는 것.
• 최대 40 T의 고자기장 조건에서 이러한 박막의 자성 및 운반 특성을 조사하는 것.
• 비틀림 운동 및 포획 메커니즘의 성격, 특히 결정립 경계의 역할을 규명하는 것.
• 이러한 박막이 조지프슨 접합 및 다층 구조 장치에 활용 가능한지의 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• 실온에서 KrF 레이저(λ = 248 nm, τ = 30 ns, ε ≈ 4 J/cm²)를 사용한 펄스 레이저 증착(PLD)을 통해 단결정 LaAlO₃ (001) 기반막에 박막을 성장시켰다.
• 결정성 향상과 산소 결핍 감소를 위해 밀봉된 규소 유리튜브 내에서 950 °C에서 4시간 동안 외부에서 열처리(후열처리)를 실시하였다.
• 구조적 특성 분석을 위해 투과전자현미경(TEM), X선 회절(Bragg-Brentano), EELS/EDX를 사용하여 상의 균일성 및 화학 스토이히오메트리 조사하였다.
• Hc2, 비가역성, 약한 연결 행동을 규명하기 위해 최대 40 T의 자기장 조건에서 전기저항 및 임계 전류 밀도 측정을 수행하였다.
• 자기장에 따른 Jc의 의존성을 약한 연결 모델 Jc ∝ (1 + μ₀H/B*)⁻¹에 맞춰서 피팅하여 결정립 경계의 영향을 평가하였다.
• 긴츠부르크-랜다우 관계를 사용하여 μ₀Hc2(0) = Φ₀/(2πξ²)로부터 코herence 길이를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LaFeAsO₁₋ₓFₓ 박막의 상한 임계장 Hc2(0)는 얼마이며, 파울리 파라자성 효과에 의해 제한되는가?
• RQ2 결정립 경계는 이러한 다결정성 철계 반탄소화합물 박막의 임계 전류 밀도 및 운반 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Jc의 자기장 의존성이 강한 포획 메커니즘보다 약한 연결 행동을 나타내는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 자기장 상다이어그램에서 넓은 가역 영역이 관찰되는가? 이는 비틀림 운동에 어떤 함의를 지닌다?
• RQ5 낮은 Jc에도 불구하고 이러한 박막이 위상 민감도 측정을 지원하거나 조지프슨 접합에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 초전도 전이 시작 온도(Tc)는 28 K에 도달하며, 전기저항이 완전히 0이 되는 전이를 보여 고품질 박막임을 시사한다.
• 상한 임계장 Hc2(0)는 약 77 T로 추정되며, 파울리 제한과 일치하고, 부품 다결정성 데이터와도 일치한다.
• Tc 근처에서 Hc2의 기울기는 −6.2 T/K로 나타나 강한 파라자성 억제 및 파울리 제한을 나타낸다.
• 임계 전류 밀도(Jc)는 낮으며, 자기장 의존성이 Jc ∝ (1 + μ₀H/B*)⁻¹ 형태로 나타나, 결정립 경계에서의 약한 연결 행동을 확인한다.
• 코herence 길이 ξ는 약 2.1 nm로 추정되며, 코팅산과 유사한 짧은 코herence 길이를 반영하고 있어 강한 2차원성의 특징을 보인다.
• 넓은 가역 영역이 관찰되었으며, 고자기장에서 선형 전압-전류 거동을 보여, 강한 포획보다는 약한 연결이 비틀림 운동을 지배하는 것으로 나타났다.