[논문 리뷰] Novel Superconductivity and Phase Diagram in the Iron-based Arsenic-oxides ReFeAsO1-delta (Re = rare earth metal) without F-Doping

Zhi‐An Ren, Guangcan Che외 9명|arXiv (Cornell University)|2008. 04. 16.

Iron-based superconductors research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 불화물 도핑 없이 고압 조건에서 합성된 ReFeAsO1−δ 계열(Re = Sm, Nd, Pr, Ce, La)의 새로운 철기반 초전도체를 보고한다. 초전도 전이 온도(Tc)는 희토류 침이 크기가 작아질수록 증가하여 SmFeAsO1−δ에서 최대 55 K에 도달하며, 산소 농도를 변화시킨 NdFeAsO1−δ에서는 도우-shaped Tc 상도진단이 관찰된다.

ABSTRACT

Here we report a new class of superconductors prepared by high pressure synthesis in the quaternary family ReFeAsO1-delta (Re = Sm, Nd, Pr, Ce, La) without fluorine doping. The onset superconducting critical temperature (Tc) in these compounds increases with the reduction of Re atom size, and the highest Tc obtained so far is 55 K in SmFeAsO1-delta. For the NdFeAsO1-delta system with different oxygen concentration a dome-shaped phase diagram was found.

연구 동기 및 목표

• 일般적으로 1111형 시스템에서 사용되는 불화물 도핑 없이 새로운 철기반 초전도체를 발견하는 것.
• ReFeAsO1−δ 화합물에서 희토류 침이 크기의 영향이 초전도 전이 온도(Tc)에 미치는 영향을 조사하는 것.
• NdFeAsO1−δ 시스템에서 산소 비스티오메트리의 영향을 초전도 특성에 미치는 영향을 탐색하는 것.
• NdFeAsO1−δ에서 산소 농도에 따른 Tc의 함수로서의 상도진단을 수립하는 것.

제안 방법

• 불화물 도핑 없이 ReFeAsO1−δ 상을 안정화하기 위해 고압 고체상 합성을 사용하였다.
• 희토류 원소(Re = Sm, Nd, Pr, Ce, La)의 체계적 변화를 통해 이온 크기 효과가 Tc에 미치는 영향을 조사하였다.
• NdFeAsO1−δ에서 제어된 산소 비스티오메트리로 정공 도핑 수준을 조절하였다.
• 전기 저항도 및 자화율 측정 기법을 사용하여 초전도 전이 온도를 측정하였다.
• 다양한 산소 농도에서 저항도 및 자화율 데이터로부터 추출한 Tc 값들을 기반으로 상도진단을 구축하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 F를 포함하지 않는 ReFeAsO1−δ 초전도체에서 도달 가능한 최대 Tc는 얼마이며, 희토류 침의 크기에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 산소 비스티오메트리가 NdFeAsO1−δ에서 초전도 전이 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다른 철기반 초전도체에서 관찰된 것과 유사하게, 산소 농도를 변화시킬 경우 NdFeAsO1−δ에서 도우형 Tc 상도진단이 나타나는가?
• RQ4 고압 합성은 F를 포함하지 않는 ReFeAsO1−δ에서 초전도 상을 안정화시키는 데에 기여하는가?

주요 결과

• 가장 높은 초전도 전이 온도(Tc)인 55 K는 F를 포함하지 않는 SmFeAsO1−δ에서 도달되었으며, 이는 이 시스템에서 보고된 바 중 최고 수준이다.
• Tc는 희토류 침의 이온 반지름 감소와 함께 체계적으로 증가하며, 이는 이온 크기와 초전도 성능 사이에 강한 상관관계가 있음을 시사한다.
• NdFeAsO1−δ에서 산소 함량에 따른 Tc의 도우형 상도진단이 관찰되었으며, 이는 중간 정도의 산소 결함에서 최적의 초전도성이 이루어짐을 나타낸다.
• 불화물 도핑이 없더라도 고 Tc를 유지할 수 있었으며, 이는 F를 포함하지 않는 철기반 산화산화수소화합물도 강한 초전도성을 나타낼 수 있음을 보여준다.