[논문 리뷰] Structural phase transition in Ba(Fe0.973Cr0.027)2As2 single crystals

S. L. Bud’ko, S. Nandi외 7명|ArXiv.org|2009. 06. 23.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 열역학적, 전송 및 단일 결정 X선 회절 측정을 통해 Ba(Fe0.973Cr0.027)2As2 단일 결정의 구조적 및 전자적 성질을 조사한다. 연구는 약 112 K에서의 1차 테트라곤럴-정오각형 상전이를 확실하게 규명하였으며, 이는 이전에 보고된 테트라곤럴-테트라곤럴 전이 주장과 정면으로 배치되며, Cr 도핑 조건에서도 상전이의 강건성을 확인한다.

ABSTRACT

We present thermodynamic, structural and transport measurements on Ba(Fe0.973Cr0.027)2As2 single crystals. All measurements reveal sharp anomalies at ~ 112 K. Single crystal x-ray diffraction identifies the structural transition as a first order, from the high-temperature tetragonal I4/mmm to the low-temperature orthorhombic Fmmm structure, in contrast to an earlier report.

연구 동기 및 목표

• Cr 도핑된 BaFe2As2에서의 구조적 상전이 성격에 대한 모순된 보고를 해결하기, 특히 테트라곤럴-테트라곤럴 전이에 대한 주장의 해소.
• x = 0.027에서의 Cr 도핑이 Ba(Fe1-xCrx)2As2의 구조적/자기 상전이의 기본 성질을 변화시키는지 규명하기.
• 고해상도 단일 결정 X선 회절을 통해 결정 대칭 변화에 대한 명확한 증거를 제공하기.
• 열역학적 및 전송 행동을 특성화하여 상전이의 1차 또는 2차 성질을 평가하기.
• 유사한 도핑 수준에서 동일한 화합물에 대해 다른 전이 메커니즘을 보고한 이전 연구(sef09a)와의 불일치를 명확히 하기.

제안 방법

• Ba(Fe0.973Cr0.027)2As2의 단일 결정은 밀봉된 퀀츠 튜브 내에서 Ar 분雰위에서 Ba, FeAs 및 CrAs를 사용한 자가금속법으로 성장시켰다.
• 요소 조성은 20개 지점에서 파장 분산 스펙트로스코피(WDS)를 통해 검증되었으며, 평균 x = 0.027이며 2σ 오차는 ±0.002였다.
• 온도 의존성 자기화율, 저항도, 홀 효과, 열용량 및 열팽창 계수는 MPMS 및 PPMS 기구를 사용하여 측정하였다.
• 단일 결정 X선 회절은 Cu Kα 방사선과 4축 회절계를 사용하여 25 K에서 125 K까지 데이터를 측정하였다.
• 정오각형 비대칭은 (ξξ0) 스캔에서 (1110) 피크의 분리로부터 정량화되었으며, 공존 상은 락킹 커브 분석을 통해 분석되었다.
• 데이터 분석에는 저항도의 도함수 분석(dρ/dT)과 a축 및 c축의 열팽창 계수 비교가 포함되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 x = 0.027에서의 Cr 도핑이 Ba(Fe1-xCrx)2As2에서 테트라곤럴-테트라곤럴 구조 전이를 유도하는가, 이는 이전에 보고된 바와 같다?
• RQ2 Cr 도핑된 BaFe2As2에서의 구조 전이의 진정한 성격(1차 전이 대비 2차 전이)은 무엇인가?
• RQ3 단일 결정 X선 회절을 통해 결정 대칭은 전이 동안 어떻게 변화하는가?
• RQ4 열역학적 및 전송 성질에서 관측된 비정상성은 1차 전이와 일치하는가?
• RQ5 이 연구의 결과와 동일한 화합물에 대해 이전 보고(sef09a)에서 다른 전이 메커니즘을 보고한 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 모든 열역학적 및 전송 탐침에 의해 확인된 급격한 1차 구조 전이가 Tsm ≈ 112 K에서 발생한다.
• 단일 결정 X선 회절은 명백하게 테트라곤럴 (I4/mmm)에서 정오각형 (Fmmm)으로의 전이를 확인하였으며, 테트라곤럴-테트라곤럴 변화는 아님을 규명하였다.
• 정오각형 비대칭은 112 K에서 급격한 점프를 보이며, 100 K에서 약 0.030 Å의 분리가 관찰되어 원료 및 도핑된 화합물의 경향과 일치한다.
• 테트라곤럴 및 정오각형 상 사이의 공존 영역이 ≤0.5 K로 매우 좁아, 전이의 1차 성질을 확인한다.
• 작은 치환 수준(x = 0.027)임에도 불구하고 Cr 도핑에 의해도 상전이의 1차 성질이 유지됨을 확인하여 강건성을 입증한다.
• 자기화율, 저항도 및 열팽창에서 약 30–35 K 근처에 넓은 비정상성이 관찰되어 가능한 2차 전이 또는 크로스오버를 시사하지만, 그 기원은 아직 명확하지 않다.