[论文解读] Direct imaging of the structural domains in iron pnictides AFe2As2 (A = Ca, Sr, Ba)

M. A. Tanatar, A. Kreyßig+6 more|ArXiv.org|Apr 15, 2009

Iron-based superconductors research被引用 11

一句话总结

本研究利用偏振光显微镜和高能同步辐射X射线衍射，直接观测到铁砷化物母相化合物AFe2As2（A = Ca, Sr, Ba）中的45°结构孪晶畴。这些畴形成具有10–50 μm周期性的规则条纹图案，贯穿整个c轴厚度，并在热循环过程中发生90°重取向，表明其为与正交畸变相关的体相、对称性破缺相变。

ABSTRACT

The parent compounds of recently discovered iron-arsenide superconductors, $A$Fe$_2$As$_2$ with alkaline earth $A$=Ca, Sr, Ba, undergo simultaneous structural and magnetic phase transitions at a temperature $T_{SM}$. Using a combination of polarized light microscopy and spatially resolved high-energy synchrotron X-ray diffraction we show that the orthorhombic distortion leads to the formation of 45$^o$-type structural domains in all parent compounds. Domains penetrate through the sample thickness in the $c$- direction and are not affected by crystal defects such as growth terraces. The domains form regular stripe patterns in the plane with a characteristic dimension of 10 to 50 $μm$. The direction of the stripes is fixed with respect to the tetragonal (100) and (010) directions but can change by 90$^o$ on thermal cycling through the transition. This domain pattern may have profound implications for intrinsic disorder and anisotropy of iron arsenides.

研究动机与目标

• 在正交相变温度TSM以下，直接可视化母相铁砷化物超导体AFe2As2（A = Ca, Sr, Ba）中的结构畴。
• 利用互补的光学与X射线技术，确定这些畴的空间形貌、取向及其三维分布范围。
• 评估晶体缺陷和热循环对畴结构及其稳定性的影响。
• 研究畴形成与铁砷化物中电子各向异性之间的关系。
• 明确AFe2As2化合物中相变是由结构序还是磁序主导。

提出的方法

• 利用偏振光显微镜在5 K下观测CaFe2As2、SrFe2As2和BaFe2As2的解理单晶表面畴对比。
• 采用0.1×0.1 mm²束斑分辨率的高能同步辐射X射线衍射（99.6 keV），沿c轴探测整个样品厚度。
• 通过逐步平移样品实现全区域扫描，以测绘畴图案及衍射峰在倒空间的分裂。
• 对(220)和(200)衍射峰进行倒空间分析，确认畴类型与取向，分裂模式表明存在45°孪晶界。
• 通过TSM附近的热循环实验，测试畴的重取向行为及图案可逆性。
• 对比光学与X射线衍射图案在各畴区域的一致性，证实畴贯穿整个c轴厚度，确认其为体相结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TSM以下，AFe2As2（A = Ca, Sr, Ba）中的结构畴具有何种空间形貌与取向？
• RQ2 结构畴是否贯穿整个c轴方向的晶体厚度，还是局限于表面？
• RQ3 畴图案在TSM相变温度附近的热循环过程中如何响应？
• RQ4 畴结构与母相铁砷化物中正交畸变之间存在何种关系？
• RQ5 晶体缺陷（如生长台阶）如何影响畴的形成与可见性？

主要发现

• AFe2As2（A = Ca, Sr, Ba）中的结构畴在ab面内形成具有10–50 μm特征周期性的规则条纹图案。
• 这些畴为45°类型，畴界沿正交晶格中的(110)与(1 1̄ 0)方向排列，与a轴方向畸变一致。
• 高能X射线衍射证实，畴贯穿整个样品沿c轴的厚度，证明其为体相现象。
• 在TSM附近进行热循环可使畴图案发生90°重取向，表明该相变为可逆的、对称性破缺过程。
• 畴结构不受生长台阶等晶体缺陷影响，表明其为内在起源，与相变直接相关。
• 在高分辨率下X射线图案中未观察到畴分裂，表明畴在微米尺度范围内为大尺度且相干的。