[논문 리뷰] Collapse of the Fe-vacancy order and successive phase transitions in superconducting KxFe2-ySe2 (0.7 \leg x \leg 0.8, 0.2 \leg y \leg 0.3)

J. Q. Li, Y. J. Song외 7명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 28.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 KxFe2-ySe2 (x ≈ 0.7–0.8, y ≈ 0.2–0.3) 초전도체가 Tc 이하에서 연속적인 상전이를 겪으며, 현장 TEM 측정에서 Tc 이상에서 Fe-빈도(order)가 완전히 붕괴됨을 밝혀내었고, 이는 빈도 정렬이 없는 테트라곤형 초전도 상을 초래한다. 데이터는 초전도 상이 K0.75Fe2-ySe2에 가까운 Fe가 부족한 조성으로 나타나며, 철기반 초전도체에서 Fe-빈도 정렬의 역할에 대한 기존 가정을 도전한다.

ABSTRACT

The Fe-based superconducting KxFe2-ySe2 (0.6 {\leg} x {\leg} 1, 0.2{\leg} y {\leg} 0.4) compounds, unlike the well-known RFe2As2 (R = Ba, Sr, Ca) superconductors, contain complex structural features and notable physical properties, such as the Fe-vacancy ordering, multi-superconducting transitions and the phase separation[1]. Recent experimental studies also suggested the presence of remarkable interplay among the Fe-vacancy order and the antiferromagnetic structure[2]. Here we demonstrate that the well-characterized superconducting KxFe2-ySe2 (0.6 {\leg} x {\leg} 0.8, 0.2 {\leg} x {\leg} 0.3) samples contain complex microstructure features and undergo successive phase transitions at low temperatures. In-situ TEM observations on a number of the KxFe2-ySe2 superconductors demonstrated the presence of a remarkable collapse of the Fe-vacancy order above the superconducting transition, as a result, the superconducting phase actually adopts a tetragonal structure without the Fe-vacancy ordering. Moreover, our analysis at the low temperatures suggests that the superconductors likely adopt a Fe-deficient structure with composition of K0.75Fe2-ySe2. These results are important not only for the further optimization of superconducting phase in present system but also for understanding the mechanism of the Fe-based superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 저온에서 KxFe2-ySe2 (x ≈ 0.7–0.8, y ≈ 0.2–0.3)의 구조적 및 전자적 진화를 조사하기 위해.
• Fe-빈도 정렬이 초전도 전이와 초전도성에 미치는 역할 및 그 안정성에 대해 규명하기 위해.
• 특히 빈도 정렬을 유지하는지 또는 다른 구조를 취하는지에 대해 초전도 상의 구조적 성질을 규명하기 위해.
• 이 복잡한 시스템에서 Fe-빈도 정렬, 반자성 및 초전도성 간의 상호작용을 명확히 하기 위해.
• KxFe2-ySe2에서 다중 전이 및 상분리의 구조적 기원에 대한 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 저온에서 KxFe2-ySe2의 실시간 구조적 변화를 관찰하기 위해 현장 투과전자현미경(TEM)을 사용하였다.
• 전자 회절 및 고해상도 영상 기법을 활용하여 Fe-빈도 정렬의 유무 및 결정대칭을 확인하였다.
• 초전도 특성이 잘 알려진 샘플들(Fe-빈도 정렬이 있는 x ≈ 0.7–0.8, y ≈ 0.2–0.3)을 선택하여 연구에 집중하였다.
• 다중 온도 사이클을 거쳐 상전이 및 순서 매개변수의 진화를 추적하기 위해 구조 분석을 수행하였다.
• 구조적 데이터와 알려진 스토이키올로지와의 일관성에서 유추된 화학 조성은 K0.75Fe2-ySe2에 가까운 Fe가 부족한 상임을 시사하였다.
• 직육면체(빈도 정렬이 있는)와 테트라곤형(빈도 정렬이 없는) 상을 구분하기 위해 회절도 및 격자 상수의 비교 분 析를 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 KxFe2-ySe2의 초전도 상태에서 Fe-빈도 정렬이 유지되는가?
• RQ2 초전도 상태는 어떤 구조 상을 취하며, 저온에서의 정렬된 상과 어떻게 다를까?
• RQ3 Fe-빈도 정렬은 어느 온도에서 붕괴되며, 이는 초전도 전이와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 초전도 상은 테트라곤형인지 직육면체형인지, 그 효과적 스토이키올로지(화학조성)는 무엇인가?
• RQ5 Fe-빈도 정렬의 붕괴가 시스템의 전자적 및 자성 성질에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• Fe-빈도 정렬이 초전도 전이 온도 이상에서 붕괴됨을 확인하여, 초전도성이 무질서한 테트라곤형 구조와 공존함을 시사한다.
• 초전도 상은 구조적으로 테트라곤형이며 Fe-빈도 정렬이 없으며, 이는 이전의 가정과 반대된다.
• 현장 TEM 관측 결과, 초전도 상태는 장거리 Fe-빈도 정렬이 없는 독립된 상을 형성함을 확인하였다.
• 구조적 및 스토이키올로지 분석에 기반해, 초전도 상은 K0.75Fe2-ySe2에 가까운 Fe가 부족한 조성일 가능성이 높다.
• Tc 이하에서 연속적인 상전이가 관측되어, 다수의 구조적 및 전자 상태를 포함하는 복잡한 저온 상 행동을 시사한다.
• 결과적으로, KxFe2-ySe2에서 초전도성의 발생에 있어 Fe-빈도 정렬이 필수 조건이 아니며, 철기반 초전도체에서의 전통적 관점에 도전한다.