[论文解读] Grain boundary characteristics of oxypnictide NdFeAs(O,F) superconductors

Iida, Kazumasa, Omura, Taito+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2019

Iron-based superconductors research被引用 19

一句话总结

本研究通过在分子束外延过程中降低NdOF钝化层的沉积温度（700 °C），减少了氟扩散，从而探究NdFeAs(O,F)超导体的本征晶界（GB）特性。临界角θc（Jc抑制的临界角）被确定为8.5°，表明在此角度以内呈现强耦合行为，该结果与其他铁基超导体一致，证实了序参量的扩展s波对称性。

ABSTRACT

We have systematically investigated the grain boundary (GB) angle dependence of transport properties for NdFeAs(O,F) fabricated on [001]-tilt symmetric MgO bicrystal substrates. In our previous study, NdFeAs(O,F) bicrystal films showed a weak-link behaviour even at a GB angle of 6{\deg}. However, this was caused by an extrinsic effect originating from the damage to both NdFeAs(O,F) and MgO substrate by excess F-diffusion along the grain boundary. To investigate the intrinsic nature of grain boundaries, we minimized the damage to NdFeAs(O,F) and MgO by reducing the deposition temperature of NdOF over-layer needed for F-doping. The resultant NdFeAs(O,F) bicrystal films have a critical angle of 8.5{\deg}, above which Jc starts to decrease exponentially. This critical angle is almost the same as those of other Fe-based superconductors.

研究动机与目标

• 消除F掺杂过程中氟扩散引起的非本征损伤，针对NdFeAs(O,F)双晶薄膜。
• 确定保持高Tc和超导特性的最低NdOF沉积温度（Tdep）。
• 通过最小化F诱导损伤，分离本征晶界特性。
• 测量临界电流密度（Jc）随晶界错向角（θGB）的变化关系。
• 将NdFeAs(O,F)的本征GB行为与其他铁基超导体进行比较。

提出的方法

• 采用两步生长的分子束外延（MBE）：在800 °C下生长NdFeAsO，随后在不同Tdep（600–800 °C）下沉积NdOF。
• 绘制Tc与Tdep的关系图，以确定维持高Tc且不损害超导性的最低Tdep（700 °C）。
• 在[001]倾斜对称MgO基底上制备NdFeAs(O,F)双晶薄膜，其θGB分别为6°、9°、12°和24°。
• 通过XRD和φ-扫描确认c轴取向及面内织构。
• 在输运和TEM测量前，使用Ar离子束研磨去除NdOF层。
• 在跨过和远离GB的微桥上进行四探针输运测量，采用E = 1 µV/cm准则评估Jc。

实验结果

研究问题

• RQ1 保持NdFeAs(O,F)薄膜高Tc的最低NdOF沉积温度是多少？
• RQ2 降低NdOF的Tdep对NdFeAs(O,F)超导体的本征晶界特性有何影响？
• RQ3 在NdFeAs(O,F)双晶薄膜中，Jc开始呈指数下降的临界角（θc）是多少？
• RQ4 JGBc / JGrainc比值如何随θGB变化？与其它铁基超导体相比有何差异？
• RQ5 F扩散损伤在多大程度上掩盖了NdFeAs(O,F)薄膜中本征GB行为？

主要发现

• 确定保持高Tc的最低NdOF沉积温度为700 °C。
• 在Tdep = 700 °C时，Jc抑制的临界角θc为8.5°，超过此角度后Jc呈指数下降。
• 当θGB ≤ 8.5°时，晶粒间Jc（JGBc）与晶粒内Jc（JGrainc）相当，表明呈现强耦合行为。
• JGBc / JGrainc比值在8.5°以内保持为1，证实本征GB的鲁棒性。
• 8.5°的临界角与Co掺杂Ba-122（θc ≈ 9°）和Fe(Se,Te)（θc ≈ 9°）一致，表明具有相似的s波对称性。
• 低温下Jc值约为10⁵ A/cm²，比在800 °C下生长的薄膜低一个数量级，可能由于载流子浓度降低所致。