[논문 리뷰] Superconductivity in undoped T' cuprates with Tc over 30 K

Osamu Matsumoto, Aya Utsuki외 4명|arXiv (Cornell University)|2008. 05. 29.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 26인용 수 39

한 줄 요약

이 연구는 금속-유기 분해(MOD) 박막 공정을 사용하여 덜 도핑된 T'-계열 RE2CuO4 커퍼레이트(RE = Pr, Nd, Sm, Eu, Gd)에서 초전도성을 보고한다. 최고의 전이 온도(Tc)는 30 K를 초과한다. 성공의 핵심은 저산소 분압에서의 소성 및 저온 환원 처리에 있다. 이는 이전에 반자성 절연체로 간주되었던 물질들, 특히 Gd2CuO4에서도 초전도성을 가능하게 하였으며, Gd2CuO4의 Tc 전이 온도는 약 20 K에 가까운 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Undoped cuprates have long been considered to be antiferromagnetic insulators. In this article, however, we report that superconductivity is achieved in undoped T'-RE2CuO4 (RE = Pr, Nd, Sm, Eu, and Gd). Our discovery was performed by using metal-organic decomposition (MOD), an inexpensive and easy-to-implement thin-film process. The keys to prepare the superconducting films are firing with low partial-pressure of oxygen and reduction at low temperatures. The highest Tc of undoped T'-RE2CuO4 is over 30 K, substantially higher than "electron-doped" analogs. Remarkably, Gd2CuO4, even the derivatives of which have not shown superconductivity so far, gets superconducting with Tconset as high as ~ 20 K. The implication of our discovery is briefly discussed.

연구 동기 및 목표

• 덜 도핑된 T'-계열 RE2CuO4 커퍼레이트의 초전도 행동을 탐구하며, 기존에 반자성 절연체로 간주되어 온 물질들을 대상으로 한다.
• 덜 도핑된 커퍼레이트가 초전도성을 띠지 않는다는 오랜 오해를 극복한다.
• 초전도성을 달성하기 위해 금속-유기 분해(MOD) 공정을 활용한 저비용, 확장 가능한 박막 제조 방법을 개발한다.
• 덜 도핑된 시스템에서 초전도성을 유도하는 데 필수적인 가공 조건을 규명한다.
• 이전에 초전도성이 나타나지 않았던 Gd2CuO4가 고Tc 초전도성의 후보로 가능성이 있는지 조사한다.

제안 방법

• 금속-유기 분해(MOD) 공정을 사용하여 덜 도핑된 T'-RE2CuO4(RE = Pr, Nd, Sm, Eu, Gd) 박막을 제조한다.
• 박막 소성 중 산소 부분압력을 제어하여 비스토이키오메트릭이고 산소가 부족한 상을 얻는다.
• 화학적 도핑 없이도 전자 도핑을 유도하기 위해 저온 환원 처리를 시행한다.
• 저항도 및 자성 측정을 통해 초전도 전이를 확인하기 위해 현장 및 외부 측정을 실시한다.
• 가공 조건(온도, 산소 압력, 지속 시간)을 체계적으로 변화시켜 초전도 전이 온도(Tc)를 최적화한다.
• 희토류 원소의 종류에 따라 결과를 비교하여 RE 이온의 크기와 전자 구조에 따른 Tc 의존성 추세를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 -controlled 비스토이키오메트릭 조건 하에서 덜 도핑된 T'-계열 RE2CuO4 커퍼레이트가 초전도성을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 특히 산소 부분압력과 환원 온도와 같은 특정 가공 조건이 덜 도핑된 시스템에서 초전도성을 유도하는 데 필수적인가?
• RQ3 이전 연구에서 초전도성이 나타나지 않았던 Gd2CuO4가 이 연구에서 왜 초전도성을 띠게 되는가?
• RQ4 덜 도핑된 T'-커퍼레이트의 Tc는 전자 도핑된 유사체와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 MOD 공정이 고Tc 초전도 박막의 확장 가능한, 저비용 제조를 어느 정도 가능하게 하는가?

주요 결과

• 금속-유기 분해(MOD) 공정을 통해 덜 도핑된 T'-RE2CuO4(RE = Pr, Nd, Sm, Eu, Gd)에서 초전도성이 실현되었으며, 최고의 Tc는 30 K를 초과한다.
• Pr2CuO4의 초전도 전이 온도(Tc) 전이 온도는 30 K 이상이며, 전자 도핑 유사체보다 현저히 높다.
• 이전에 초전도성이 나타나지 않았던 Gd2CuO4는 최적의 가공 조건에서 Tc 전이 온도가 약 20 K에 이른다.
• 저부분압 산소 소성과 저온 환원 처리가 덜 도핑된 시스템에서 초전도 상을 안정화시키는 데 핵심적이다.
• 이 발견은 덜 도핑된 커퍼레이트가 반드시 반자성 절연체일 뿐이라는 기존의 관점을 도전한다.
• MOD 공정은 화학 도핑 없이도 재현 가능하고 저비용으로 초전도 박막을 제조할 수 있도록 한다.