[논문 리뷰] Direct observation of nanometer-scale amorphous layers and oxide crystallites at grain boundaries in polycrystalline Sr1-xKxFe2As2 superconductors

Lei Wang, Yanwei Ma외 9명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 28.

Iron-based superconductors research참고 문헌 18인용 수 184

한 줄 요약

이 연구는 다결정성 Sr1-xKxFe2As2 초전도체의 결정립 경계에서 나노스케일의 비정질층과 산화물 나노결정립을 직접 관찰하기 위해 원자 해상도 투과형 전자현미경을 사용한다. 연구 결과, 경계에서 산소 농축과 구조적 무질서가 발생함을 밝혀내었으며, 이는 다결정성 샘플에서 이중결정막에 비해 임계 전류 밀도(Jc)가 낮아지는 이유를 설명한다.

ABSTRACT

We report here an atomic resolution study of the structure and composition of the grain boundaries in polycrystalline Sr0.6K0.4Fe2As2 superconductor. A large fraction of grain boundaries contain amorphous layers larger than the coherence length, while some others contain nanometer-scale particles sandwiched in between amorphous layers. We also find that there is significant oxygen enrichment at the grain boundaries. Such results explain the relatively low transport critical current density (Jc) of polycrystalline samples with respect to that of bicrystal films.

연구 동기 및 목표

• 다결정성 Sr1-xKxFe2As2 초전도체의 결정립 경계에서 원자 스케일의 구조와 조성을 조사하는 것.
• 다결정성 샘플에서 이중결정막에 비해 낮은 전송 임계 전류 밀도(Jc)의 기원을 이해하는 것.
• 초전도 전류 흐름을 방해할 수 있는 결정립 경계에서의 구조적 및 조성적 결함을 특정하는 것.
• 결정립 경계의 미세구조적 특징과 매크로스코픽 초전도 성능 사이의 상관관계를 규명하는 것.

제안 방법

• 고각도 원추 어두운장비 스캐닝 투과전자현미경(HAADF-STEM)을 사용하여 원자 해상도로 결정립 경계를 영상화하였다.
• 에너지 분산형 X선 분석(EDS)을 활용하여 주로 산소 분포를 포함한 원소 조성을 맵핑하였다.
• 전자 회절 및 선택적 영역 전자 회절(SAED)을 사용하여 국소 결정학적 질서를 분석하고 비정질 또는 나노결정상일 가능성을 확인하였다.
• 표본 준비는 고해상도 전자현미경에 적합한 얇은 레이어를 얻기 위해 집중 이온 비임(FIB) 연마를 수행하였다.
• 본 연구는 122형 철기반 초전도체인 Sr0.6K0.4Fe2As2를 대상으로 하였으며, 분석은 다결정성 박막에서 수행되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다결정성 Sr1-xKxFe2As2 초전도체의 결정립 경계에서 원자 스케일의 구조는 어떠한가?
• RQ2 결정립 경계에 비정질 또는 나노결정상이 존재하는가? 만약 존재한다면 초전도 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 시스템에서 결정립 경계에 상당한 산소 분할 또는 농축이 발생하는가?
• RQ4 결정립 경계의 미세구조적 특징은 다결정성 샘플에서 실험적으로 관측된 낮은 Jc와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ5 산화물 나노결정립이 결정립 경계를 가로질러 초전도 일관성의 흐름을 방해하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 다결정성 Sr0.6K0.4Fe2As2의 상당수의 결정립 경계에는 초전도 일관성 길이를 초월하는 비정질층이 존재한다.
• 일부 결정립 경계에서는 비정질층 사이에 나노미터 크기의 산화물 나노결정립이 갇혀 있는 것이 관찰되었다.
• 결정립 경계에서 산소 농축이 일관되게 확인되어 화학적 분할이 일어나고 있음을 시사한다.
• 확장된 비정질 영역과 경계면에 존재하는 나노결정립의 존재는 다결정성 샘플에서 이중결정막에 비해 임계 전류 밀도(Jc)가 낮아지는 이유를 설명한다.
• 결정립 경계에서의 구조적 및 조성적 비균일성이 초전류 흐름에 강력한 장벽으로 작용한다.