[论文解读] Direct observation of nanometer-scale amorphous layers and oxide crystallites at grain boundaries in polycrystalline Sr1-xKxFe2As2 superconductors

Lei Wang, Yanwei Ma+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2011

Iron-based superconductors research参考文献 18被引用 184

一句话总结

本研究利用原子分辨率透射电子显微镜，直接观测了多晶Sr1-xKxFe2As2超导体晶界处的纳米尺度非晶层和氧化物晶粒。研究结果揭示了界面处存在氧富集和结构无序，解释了多晶样品中临界电流密度（Jc）低于双晶薄膜的原因。

ABSTRACT

We report here an atomic resolution study of the structure and composition of the grain boundaries in polycrystalline Sr0.6K0.4Fe2As2 superconductor. A large fraction of grain boundaries contain amorphous layers larger than the coherence length, while some others contain nanometer-scale particles sandwiched in between amorphous layers. We also find that there is significant oxygen enrichment at the grain boundaries. Such results explain the relatively low transport critical current density (Jc) of polycrystalline samples with respect to that of bicrystal films.

研究动机与目标

• 研究多晶Sr1-xKxFe2As2超导体晶界的原子尺度结构与成分。
• 理解多晶样品中输运临界电流密度（Jc）低于双晶薄膜的原因。
• 识别可能阻碍超导电流流动的晶界处结构与成分缺陷。
• 将晶界处的微观结构特征与宏观超导性能相关联。

提出的方法

• 采用大角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）在原子分辨率下成像晶界。
• 采用能谱分析（EDS）绘制元素分布，特别是氧的分布。
• 利用电子衍射和选区电子衍射（SAED）分析局部晶体学有序性，并识别非晶或纳米晶相。
• 样品制备采用聚焦离子束（FIB）铣削，制备出适用于高分辨电子显微镜分析的薄片。
• 本研究聚焦于Sr0.6K0.4Fe2As2，一种122型铁基超导体，分析对象为多晶薄膜。

实验结果

研究问题

• RQ1 多晶Sr1-xKxFe2As2超导体晶界的原子尺度结构是什么？
• RQ2 晶界处是否存在非晶或纳米晶相，它们如何影响超导性能？
• RQ3 该体系中晶界处是否存在显著的氧偏析或富集？
• RQ4 晶界处的微观结构特征如何与实验观测到的多晶样品中低Jc相关联？
• RQ5 氧化物晶粒在多晶超导体中如何破坏晶界处的超导相干性？

主要发现

• 在多晶Sr0.6K0.4Fe2As2中，相当一部分晶界含有超过超导相干长度的非晶层。
• 在某些晶界处，观察到纳米尺度的氧化物晶粒夹在非晶层之间。
• 晶界处持续检测到氧富集，表明存在化学偏析。
• 非晶区域的扩展以及界面处晶粒的存在，解释了多晶样品中Jc低于双晶薄膜的原因。
• 晶界处的结构与成分不均匀性构成了对超电流流动的强阻碍。