[論文レビュー] Heat capacity study of BaFe$_{2}$As$_{2}$: effects of annealing

C. R. Rotundu, Byron Freelon+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2010

Iron-based superconductors research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、700 °Cで逐次アニーリングした高品質な BaFe2As2 単結晶における磁気構造転移の進化を、比熱、抵抗率、X線回折測定によって調査した。30日間のアニーリング後、比熱の異常は1 K未塔の幅に鋭くなり、140.2 Kにシフトした。残留抵抗比は約36に達し、電子的品質の向上を示し、潜熱を伴う一次転移であり、磁場による抑制がないことを裏付けている。

ABSTRACT

Heat-capacity, X-ray diffraction, and resistivity measurements on a high-quality BaFe$_{2}$As$_{2}$ sample show an evolution of the magneto-structural transition with successive annealing periods. After a 30-day anneal the resistivity in the (ab) plane decreases by more than an order of magnitude, to 12 $μΩ$cm, with a residual resistance ratio $\sim$36; the heat-capacity anomaly at the transition sharpens, to an overall width of less than K, and shifts from 135.4 to 140.2 K. The heat-capacity anomaly in both the as-grown sample and after the 30-day anneal shows a hysteresis of $\sim$0.15 K, and is unchanged in a magnetic field $μ_{0}$H = 14 T. The X-ray and heat-capacity data combined suggest that there is a first order jump in the structural order parameter. The entropy of the transition is reported.

研究の動機と目的

• アニーリングが高品質な BaFe2As2 単結晶における磁気構造転移に与える影響を理解すること。
• 抵抗率、比熱、X線回折の変化をアニーリング時間と関連付けること。
• 転移が一次転移か二次転移かを特定し、サンプルの歴史に依存する感度を評価すること。
• アニーリングが比熱の電子的および格子的寄与に与える影響を評価すること。
• 磁場が転移に与える影響を評価し、その熱力学的性質を解明すること。

提案手法

• 比熱測定は、アーチェスガス雰囲気下で700 °Cで30日間のアニーリングを施した単結晶を用い、Quantum Designの物理特性測定システム（PPMS）を用いて行った。
• 抵抗率測定は、(ab)面内で実施され、電子的品質および残留抵抗比（RRR）を評価した。
• シンチロトロンX線回折は、アドバンスドフォトンソース（6-IDビームライン）を用い、構造的変化および結晶品質を調査した。
• 磁化および磁場下比熱測定は、最大14 Tの磁場で実施され、転移の磁場依存性を評価した。
• データ解析には、ヒステリシスおよび潜熱の検出のための加熱・冷却サイクル比較、および低温度領域における電子的および格子的寄与の抽出のための C/T 対 T² 描画を用いた。
• 化学 stoichiometry は、誘導結合プラズマ（ICP）および電子線マイクロプローブWDS分析により確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 700 °Cでの長時間アニーリングが、BaFe2As2における磁気構造転移に伴う比熱異常をどのように変化させるか？
• RQ2 アニーリングが、BaFe2As2における抵抗率および残留抵抗比に及ぼす影響は何か？また、電子的品質とどのように関連するか？
• RQ3 BaFe2As2における磁気構造転移はヒステリシスおよび潜熱を示すか？これは一次転移か二次転移かを示唆するか？
• RQ4 14 Tの磁場が転移に与える影響は何か？これはその磁気的および構造的性質をどのように明らかにするか？
• RQ5 30日間のアニーリングが、正方晶相における低温度領域の電子的および格子的比熱寄与にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 700 °Cで30日間のアニーリング後、(ab)面における抵抗率は12 μΩ cmに低下し、残留抵抗比は約36に達した。これは電子的品質の顕著な向上を示している。
• 30日間のアニーリング後、磁気構造転移に伴う比熱異常は、1 K未塔の幅に鋭くなり、未処理状態の広い異常とは対照的であった。
• 転移温度は、未処理状態の135.4 Kから30日間のアニーリング後は140.2 Kにシフトした。
• 未処理および30日間アニーリング後の両サンプルで、加熱・冷却サイクルにおいて0.15 Kのヒステリシスが観察された。これは、潜熱を伴う一次転移であることを示している。
• 14 Tの磁場下でも転移は変化せず、強い磁場によって抑制されないことが示された。これは一次転移的構造転移と整合的である。
• 低温度領域における電子的および格子的比熱寄与（C/T 対 T²）は、30日間のアニーリングによって変化しなかった。これは、正方晶相における状態密度やフォノンスペクトルの変化がないことを示している。