[논문 리뷰] Grain boundary characteristics of oxypnictide NdFeAs(O,F) superconductors

Iida, Kazumasa, Omura, Taito외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 07.

Iron-based superconductors research인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 분자 빔 에pitaxy 동안 NdOF 캡피ング 레이어의 저온 증착(700 °C)을 통해 플루오르인 확산을 감소시킴으로써 NdFeAs(O,F) 초전도체의 내재된 결정립 경계(Gb) 특성을 조사한다. Jc 억제를 위한 임계 각도 θc는 8.5°로 결정되었으며, 이는 이 각도 이하에서는 강한 결합 행동을 보이며, 다른 철계 초전도체와 일치하고 주문 매개변수의 확장된 s-파르티큘라 대칭성을 확인한다.

ABSTRACT

We have systematically investigated the grain boundary (GB) angle dependence of transport properties for NdFeAs(O,F) fabricated on [001]-tilt symmetric MgO bicrystal substrates. In our previous study, NdFeAs(O,F) bicrystal films showed a weak-link behaviour even at a GB angle of 6{\deg}. However, this was caused by an extrinsic effect originating from the damage to both NdFeAs(O,F) and MgO substrate by excess F-diffusion along the grain boundary. To investigate the intrinsic nature of grain boundaries, we minimized the damage to NdFeAs(O,F) and MgO by reducing the deposition temperature of NdOF over-layer needed for F-doping. The resultant NdFeAs(O,F) bicrystal films have a critical angle of 8.5{\deg}, above which Jc starts to decrease exponentially. This critical angle is almost the same as those of other Fe-based superconductors.

연구 동기 및 목표

• NdFeAs(O,F) 비크리스탈 필름에서 F 도핑 중 플루오르인 확산으로 인한 외재적 손상을 제거하기 위해.
• 고 Tc 및 초전도 특성을 유지하는 데 필요한 최저의 NdOF 증착 온도(Tdep)를 결정하기 위해.
• F 유도 손상을 최소화하여 내재된 결정립 경계 특성을 분리하기 위해.
• 결정립 경계의 기울기 각도(θGB)에 따른 임계 전류 밀도(Jc)의 의존성을 측정하기 위해.
• NdFeAs(O,F)의 내재된 GB 행동을 다른 철계 초전도체와 비교하기 위해.

제안 방법

• 두 단계 성장 방식을 사용한 분자 빔 에pitaxy(MBE): 800 °C에서 NdFeAsO 성장 후, 다양한 Tdep(600–800 °C)로 NdOF 증착.
• Tdep에 따른 Tc 맵핑을 통해 고 Tc를 유지하면서도 초전도성에 영향을 주지 않는 최소 Tdep(700 °C)를 확인.
• θGB = 6°, 9°, 12°, 24°인 [001]-기울기 대칭 MgO 기반에 NdFeAs(O,F) 비크리스탈 필름 제작.
• c축 정렬 및 면내 텍스처를 확인하기 위해 XRD 및 φ-스캔 수행.
• 운반 및 TEM 측정 전에 NdOF 레이어를 제거하기 위해 Ar 이온 밀링 수행.
• Jc 평가를 위해 E = 1 µV/cm 기준을 사용한, GB를 가로질러 및 멀어지는 방향의 마이크로 브릿지에서의 사면도 전송 측정 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NdFeAs(O,F) 필름에서 고 Tc를 유지하는 데 필요한 최저의 NdOF 증착 온도는 무엇인가?
• RQ2 NdOF의 Tdep를 낮추는 것이 NdFeAs(O,F) 초전도체의 내재된 결정립 경계 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 Jc가 지수적으로 감소하기 시작하는 임계 각도(θc)는 무엇인가?
• RQ4 JGBc / JGrainc 비율은 θGB에 따라 어떻게 변하며, 다른 철계 초전도체와 비교해보면 어떠한가?
• RQ5 F 확산 손상이 어느 정도까지 NdFeAs(O,F) 필름의 내재된 GB 행동을 가리키는가?

주요 결과

• 고 Tc를 유지하는 데 필요한 최저의 NdOF 증착 온도는 700 °C로 결정되었다.
• Tdep = 700 °C일 때, Jc 억제를 위한 임계 각도 θc는 8.5°였으며, 이 이상에서는 Jc가 지수적으로 감소했다.
• θGB ≤ 8.5° 범위에서, 입자 간 Jc(JGBc)는 입자 내 Jc(JGrainc)와 유사했으며, 강한 결합 행동을 나타냈다.
• 8.5° 이하에서 JGBc / JGrainc 비율은 일정하게 유지되어 내재된 GB의 내구성을 확인했다.
• 8.5°의 임계 각도는 Co 도핑된 Ba-122(θc ≈ 9°) 및 Fe(Se,Te)(θc ≈ 9°)와 일치하며, 유사한 s-파르티큘라 대칭성을 시사한다.
• 저온에서의 Jc 값은 약 10⁵ A/cm²였으며, 800 °C에서 증착한 필름보다 약 10배 낮았는데, 이는 운반체 농도 감소로 인한 것으로 보인다.