[논문 리뷰] Physical and magnetic properties of Ba(Fe_(1-x)Mn_x)_2As_2 single crystals

A. Thaler, Hodovanets, H.외 7명|Iowa State University Digital Repository (Iowa State University)|2011. 09. 09.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 Mn 도핑된 BaFe2As2 단일 결정을 조사하여, Mn 치환은 Co 또는 Cr 도핑보다 구조 전이/자기 전이 온도(T_s/m)를 느리게 억제함을 밝혀내며, x = 0.148까지 초전도성은 관측되지 않았다. x ≈ 0.1–0.2 이상에서 상 분리가 발생하고, x ≈ 0.1 근처에서 라이프시츠 전이가 제안되며, 이는 다른 전이금속 도핑 시스템에서 관찰되지 않는 고유한 전자 구조 변화를 시사한다.

ABSTRACT

Single crystals of Ba(Fe_(1-x)Mn_x)_2As_2, 00.1-0.2. Our measurements show that whereas the structural/magnetic phase transition found in pure BaFe_2As_2 at 134 K is initially suppressed by Mn substitution, superconductivity is not observed at any substitution level. Although the effect of hydrostatic pressure up to 20 kbar in the parent BaFe_2As_2 compound is to suppress the structural/magnetic transition at the approximate rate of 0.9 K/kbar, the effects of pressure and Mn substitution in the x=0.102 compound are not cumulative. Phase diagrams of transition temperature versus substitution concentration, x, based on electrical transport, magnetization and thermopower measurements have been constructed and compared to those of the Ba(Fe_(1-x)TM_x)_2As_2 (TM=Co and Cr) series.

연구 동기 및 목표

• BaFe2As2 단일 결정의 물리적 및 자기적 성질에 대한 Mn 치환의 영향을 이해하기 위해.
• Co 및 Ni 도핑 유사체에서 관찰되는 것처럼 Mn 도핑된 BaFe2As2에서 초전도성이 발생하는지 확인하기 위해.
• 증가하는 Mn 농도(x)에 따라 구조 전이/자기 전이(T_s/m)의 억제 정도를 조사하기 위해.
• 전이금속 도핑 시스템에서의 상 전이 억제 및 전자 구조 변화의 관점에서 Mn 도핑 행동을 Co, Ni, Cr 도핑과 비교하기 위해.
• 열전력 및 저항도의 비정상성에 의해 나타나는 전자 구조 전이(예: 라이프시츠 전이)를 식별하기 위해.

제안 방법

• 고온 용액 성장법을 이용한 자가용매법으로 Ba(Fe1-xMnx)2As2 단일 결정을 성장시켰다.
• Rietica 정렬을 사용한 파owe X선 회절을 통해 구조적 특성을 분석하여 격자 상수를 결정하였다.
• 전기적 운반성, 자화도 및 열전력 측정을 수행하여 T_s/m 및 전자적 거동을 탐구하였다.
• x=0.102 화합물에 대해 최대 20 kbar까지의 수소압 연구를 수행하여 압력과 도핑 효과를 비교하였다.
• 운반성, 자화도 및 열전력 데이터를 기반으로 T_s/m 대 x에 대한 상도를 작성하였다.
• 전이금속 도핑 시스템인 Co, Ni, Cr 도핑된 BaFe2As2와의 비교 분석을 통해 전이 억제 및 전자 응답의 차이를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BaFe2As2에서 Mn 치환이 Co 및 Ni 도핑 유사체에서 관찰되는 것처럼 초전도성을 유도하는가?
• RQ2 Mn 도핑된 BaFe2As2에서 T_s/m의 억제 속도는 Co, Ni, Cr 도핑 시스템과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 Ba(Fe1-xMnx)2As2에서 상 분리 또는 불균일성이 x의 어느 농도에서 명백해지는가?
• RQ4 열전력 또는 저항도의 비정상성에 의해 나타나는 전자 구조 전이(예: 라이프시츠 전이)가 존재하는가?
• RQ5 x=0.102 화합물에서 Mn 도핑 효과와 수소압 효과는 누적되는가?

주요 결과

• x ≤ 0.148 범위의 모든 Mn 농도에서 초전도성이 관측되지 않았다. 다만 T_s/m는 억제되었다.
• x > 0.1–0.2에서 Mn 농도가 높은 영역과 Fe 농도가 높은 영역으로의 상 분리가 발생하여 균일한 단일상 성장이 불가능해졌다.
• Mn 도핑에 의한 T_s/m 억제 속도는 Co 치환의 약 절반이며, Cr 치환보다 略 빠르게 억제된다.
• T_s/m 이상 약 150–200 K에서 관측된 저항도 비정상성은 x ≈ 0.1 근처에서 라이프시츠 전이가 가능성을 시사하며, S/T의 영점이 이를 뒷받침한다.
• x ≈ 0.1 이상에서 자기 전이 온도 T_m은 x 증가에 따라 증가하는 반면, Co/Ni/Cu 도핑 시스템에서는 일관된 감소 경향을 보였다.
• x=0.102에서 Mn 도핑 효과와 수소압(최대 20 kbar) 효과는 누적되지 않아, 전자적 반응이 비가역적임을 시사한다.