[논문 리뷰] Magnetothermoelectric effects in Fe{1+d}Te{1-x}Se{x}

Marcin Matusiak, E. Pomjakushina외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 04.

Iron-based superconductors research참고 문헌 29인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 철기 초전도체에서 스핀 플라uctuation의 역할을 탐구하기 위해 Fe₁₊ₔTe₁₋ₓSeₓ 단일결정에서 자기장-열전 운반성질을 조사한다. 그 결과, 수은 도핑이 (π,0) 스핀 플라uctuation을 억제하며, 밀도가 높은 도핑을 받은 초전도 샘플에서 저온에서 발산하는 행동을 보이며, 열전 응답이 (π,π) 플라uctuation에 민감한 단일 밴드에 의해 지배됨을 밝혀내어, 이 밴드가 초전도성을 수반할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We report resistivity as well as the Hall, Seebeck and Nernst coefficients data for Fe{1+d}Te{1-x}Se{x} single crystals with x = 0, 0.38, and 0.40. In the parent compound Fe{1.04}Te we observe at Tn = 61 K a sudden change of all quantities studied, which can be ascribed to the Fermi surface reconstruction due to onset of the antiferromagnetic order. Two very closely doped samples: Fe{1.01}Te{0.62}Se{0.38} (Se38) and Fe{1.01}Te{0.60}Se{0.40} (Se40) are superconductors with Tc = 13.4 K and 13.9 K, respectively. There are no evident magnetic transitions in either Se38 or Se40. Properties of these two single crystals are almost identical at high temperatures, but start to diverge below T ~ 80 K. Perhaps we see the onset of scattering that might be a related to changes in short range magnetic correlations caused by selenium doping.

연구 동기 및 목표

• Fe₁₊ₔTe₁₋ₓSeₓ에서 수은 도핑이 스핀 플라uctuation에 미치는 영향과 전자 운반성에 끼치는 영향를 이해하기 위해.
• 철 계 셀레니드에서 (π,0)과 (π,π) 스핀 플라uctuation 간 공존 또는 경쟁이 초전도 성립에 영향을 주는지 조사하기 위해.
• 다른 도핑된 밴드가 자기장 및 열전 자극에 대해 서로 다른 반응을 보이는지, 특히 초전도성에 가까운 정상 상태에서 확인하기 위해.
• 약 80 K 이하에서 두 거의 동일한 초전도 샘플(Se38 및 Se40) 간에 관찰된 발산하는 운반성 행동의 기원을 명확히 하기 위해.
• 관측된 저온 이상 현상이 Seebeck 및 Nernst 응답에 기인한 화학적 피드백 또는 산란 메커니즘의 변화에 기인하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 고순도 원소를 사용한 수정된 Bridgeman 방법을 통해 Fe₁.₀₄Te, Fe₁.₀₁Te₀.₆₂Se₀.₃₈(Se38), 및 Fe₁.₀₁Te₀.₆₀Se₀.₄₀(Se40)의 단일결정을 성장시켰다.
• 에너지 분산 X선(EDX) 분석을 통해 화학 조성을 확인하여, Se 농도의 미세한 차이(x = 0.38 및 0.40)를 확인하였다.
• 4점 저항측정, 필드 반전 기법을 사용한 홀 효과, 열전도도 계수, 및 최대 ±12.5 T의 자기장 하에서의 Nernst 효과를 포함한 운반성 측정을 실시하였다.
• Nernst 및 홀 신호의 자기장 의존성을 분석하여 B에 대해 홀 및 짝수 성분을 분리함으로써 내재된 열전 및 자기 반응을 추출하였다.
• 이론적 분석은 다중밴드 운반성, Nernst 효과에 기여하는 양극성 기여 및 열전도도(S)에 영향을 주는 온도 의존적 화학적 피드백(μ)의 역할을 고려하였다.
• 비탄성 중성자산란 결과에서 (π,0)과 (π,π) 스핀 플라uctuation의 공존이 확인되었으며, 특히 초전도 영역에서는 후자가 지배적임을 고려하여 데이터를 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수은 도핑은 Fe₁₊ₔTe₁₋ₓSeₓ에서 (π,0)과 (π,π) 스핀 플라uctuation 간의 경쟁에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 약 80 K 이하에서 발산하는 운반성 행동을 보이는 두 거의 동일한 초전도 샘플(Se38 및 Se40) 간의 차이는 무엇인가?
• RQ3 정상 상태에서 열전 및 Nernst 응답을 주로 담당하는 도핑된 밴드는 무엇이며, 스핀 플라uctuation과 어떻게 결합되어 있는가?
• RQ4 화학적 피드백 또는 산란 메커니즘의 변화가 Seebeck 및 Nernst 계수에 관찰된 이상 현상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 Se 도핑에 의한 (π,0) 스핀 플라uctuation 억제가 Se40에서는 부피 초전도성의 발생을, Se38에서는 발생하지 않는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• Fe₁.₀₄Te에서는 Tₙ = 61 K에서 급격한 전이가 발생하여 저항도, 홀 계수, Seebeck 계수, Nernst 신호에 급격한 변화가 나타나며, 이는 반자성 (π,0) 질서에 의한 피어미 표면 재구성으로 인한 것으로 나타났다.
• Fe₁.₀₄Te에서 Nernst 신호는 최대 12.5 T까지 자기장 의존성이 없음을 보이며, 강한 자기적 결합과 상당한 자기장 유도 효과의 부재를 나타낸다.
• Se38(Tc = 13.4 K) 및 Se40(Tc = 13.9 K)는 모두 초전도성을 가지나, Nernst 및 자화 측정 결과에 따르면 Se38에는 부피 초전도성이 없고 Se40에는 부피 초전도성이 존재한다.
• 약 80 K 이하에서 Se38과 Se40 간의 저항도 및 홀 계수가 갈라지며, 다른 산란 메커니즘 또는 전자 상호작용을 시사한다.
• Seebeck 및 Nernst 계수는 약한 영향을 받으며, 이는 열전 운반성이 (π,π) 플라uctuation에 민감한 단일 전자형 밴드에 의해 지배됨을 나타낸다.
• 약 60 K 이하에서 Nernst 계수의 급격한 감소와 부호의 반전은 저온 Nernst 반응이 한 밴드에 의해 지배됨을 나타내며, 이는 초전도성의 주요 실리콘 채널일 가능성이 높다.