[논문 리뷰] Superconductivity in Fluorine-Arsenide Sr_{1-x}La_xFeAsF

Xiyu Zhu, Fei Han외 4명|arXiv (Cornell University)|2008. 10. 14.

Iron-based superconductors research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 스트론티움-철- arsen-플루오르화물 기반의 스트론티움-라니움-철- arsen-플루오르화물(Sr1-xLa x FeAsF)에서 전자 도핑을 통해 얻어진 32 K의 초전도 전이 온도를 보고한다. 이 물질는 ZrCuSiAs 구조를 가지며, 레어어스 산화물(REEO) 레이어 대신 이온 전하가 +1인 이량자 금속 플루오라이드(DvF, Dv = Sr, Ca, Eu) 블록이 치환되어, 스핀 밀도 파동 상태가 억제된 상태에서 초전도성이 나타나는 새로운 철- arsen 기반 초전도체의 새로운 가문을 제공하며, 더 높은 Tc를 향한 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

Since the discovery of superconductivity\cite{1} at 26 K in oxy-pnictide $LaFeAsO_{1-x}F_x$, enormous interests have been stimulated in the fields of condensed matter physics and material sciences. Among the five different structures in this broad type of superconductors\cite{2,3,4,5,6}, the ZrCuSiAs structure has received special attention since the $T_c$ has been quickly promoted to 55-56 K\cite{7,8,9,10,11} in fluorine doped oxy-pnictides REFeAsO (RE = rare earth elements). The superconductivity can also be induced by applying a high pressure to the undoped samples\cite{12,13}. The mechanism of superconductivity in the FeAs-based system remains unclear yet, but it turns out to be clear that any change to the structure or the building blocks will lead to a change of the superconducting transition temperatures. In this Letter, we report the fabrication of the new family of compounds, namely fluorine-arsenides DvFeAsF (Dv = divalent metals) with the ZrCuSiAs structure and with the new building block DvF instead of the REO (both the layers DvF and REO have the combined cation state of "+1"). The undoped parent phase has a Spin-Density-Wave like transition at about 173 K for SrFeAsF, 118 K for CaFeAsF and 153 K for EuFeAsF. By doping electrons into the system the resistivity anomaly associated with this SDW transition is suppressed and superconductivity appears at 32 K in the fluorine-arsenide Sr$_{1-x}$La$_x$FeAsF (x = 0.4). Our discovery here initiates a new method to obtain superconductors in the FeAs-based system.

연구 동기 및 목표

• ZrCuSiAs 구조를 가진 화합물에서 REO 레이어를 전이 금속 플루오라이드(DvF, Dv = Sr, Ca, Eu) 등가의 네트워크 전하(+1)를 가진 새로운 구성 블록으로 대체하여 새로운 철- arsen 기반 초전도체를 탐색하기 위해.
• 이량자 금속 플루오라이드(DvF, Dv = Sr, Ca, Eu)가 REFeAsO와 동일한 구조를 가지며, 전자 도핑에 의해 초전도성을 갖는 안정한 모체 화합물을 형성할 수 있는지 조사하기 위해.
• SrFeAsF에서 La 치환을 통한 전자 도핑이 이전에 관찰된 유사 시스템보다 더 높은 전이 온도를 갖는 초전도성을 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• SrFe2As2 또는 LaFeAsO와 같은 다른 상의 오염을 배제하고 초전도성의 진정한 특성을 확인하기 위해.
• 이종 이온 치환에 의한 구조적 및 전자적 조절이 초전도 전이 온도를 어떻게 조절하는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 산소 및 수분 농도가 0.1 ppm 미만인 장갑 박스에서 아르곤 분雰위에서 두 단계 고체상 반응을 통해 다결정 DvFeAsF(Dv = Sr, Ca, Eu) 및 Sr1-xLa x FeAsF(x = 0–0.4)를 합성하였다.
• 철과 플루오르의 원료로 FeF3와 철 금속을 사용하였으며, DvAs 및 LaAs 전구체는 원소 분말을 이용해 합성하였다.
• 950 °C에서 60시간 동안 고온 고체상 소결을 실시한 후, 상 순도를 향상시키기 위해 1000 °C에서 두 번째 소결을 수행하였다.
• X선 회절(XRD)을 이용해 결정 구조를 특성화하였으며, 도핑된 시료의 경우 정방형 ZrCuSiAs 구조를 확인하였고, 격자 상수는 a ≈ 3.98 Å 및 c ≈ 8.96 Å였다.
• 물리적 성질 측정 시스템(PPMS)에서 6점 측정 기법을 사용해 저항도를 측정하였으며, 열전기력의 영향을 제거하기 위해 전류 방향을 반전시켰다.
• SQUID 자화계수를 이용한 영자장 냉각 측정을 통해 막대한 초전도성의 존재를 확인하였으며, 약 27 K에서 나타나는 반자성 전이가 저항도 전이와 일치함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 REFeAsO 초전도체의 REO 레이어를 네트워크 전하가 +1인 이량자 금속 플루오라이드(DvF) 블록으로 대체할 수 있으며, 이로써 새로운 철- arsen 기반 초전도체를 형성할 수 있는가?
• RQ2 SrFeAsF에서 La 치환을 통한 전자 도핑이 스핀 밀도 파동(SDW) 전이를 억제하고 초전도성을 유도하는가? 그리고 그 전이 온도(Tc)는 얼마인가?
• RQ3 Sr1-xLa x FeAsF의 초전도 전이 온도는 Co 도핑된 SrFeAsF 또는 다른 철- arsen 기반 시스템과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 관측된 초전도성은 SrFe2As2 또는 LaFeAsO와 같은 부산물 상의 형성에 기인한 것인가? 이는 어떻게 배제되는가?
• RQ5 모체 상에서의 구조적/SDW 전이 온도와 전자 도핑에 의한 초전도성의 시작 사이의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 모체 화합물인 SrFeAsF는 173 K에서 저항도의 비정상 현상이 나타나며, 이는 스핀 밀도 파동(SDW) 또는 구조 전이에 해당하며, 자화도 및 자기저항 측정을 통해 확인되었다.
• SrFeAsF에서 La 치환을 통한 전자 도핑은 SDW 전이를 억제하며, x = 0.2에서 173 K에서 약 60 K로 이격되고, x = 0.4에서 완전히 사라진다.
• Sr0.6La0.4FeAsF에서 32 K(시작점)에서 초전도 전이가 관측되었으며, 24.6 K에서 저항이 0이 되었으며, 이는 이전에 보고된 SrFe1-xCo x AsF(Tc = 4 K)에 비해 상당한 Tc 향상이다.
• x = 0.4 시료의 저항도는 정상 상태에서 온도에 대해 선형적인 온도 의존성을 보이며, 구리 도핑된 LaFeAsO0.9F0.1과 유사한 특성을 보이며, 정공 도핑 시스템과 대비된다.
• 영자장 냉각 SQUID 측정 결과, 약 27 K에서 반자성 전이가 관측되어 막대한 초전도성임을 확인하였으며, 이는 저항도 시작점과 일치한다.
• XRD 패턴에서 SrFe2As2 또는 LaFeAsO 상의 증거가 없었으며, 산소 농도가 0.1 ppm 미만으로 확인되어 LaFeAsO 오염이 배제되었으며, 초전도성은 Sr1-xLa x FeAsF 내부에서 기인한 진정한 성질임을 확인하였다.