[论文解读] Heat capacity study of BaFe$_{2}$As$_{2}$: effects of annealing

C. R. Rotundu, Byron Freelon+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2010

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究通过在700 °C下连续退火后进行的比热、电阻率和X射线衍射测量，探究了高质量BaFe2As2单晶中磁结构相变的演化过程。经过30天退火后，比热异常的宽度锐化至小于1 K，转变温度移至140.2 K，且残余电阻率比约为36，表明电子品质显著提升，并支持存在潜热且不受磁场抑制的一级相变。

ABSTRACT

Heat-capacity, X-ray diffraction, and resistivity measurements on a high-quality BaFe$_{2}$As$_{2}$ sample show an evolution of the magneto-structural transition with successive annealing periods. After a 30-day anneal the resistivity in the (ab) plane decreases by more than an order of magnitude, to 12 $μΩ$cm, with a residual resistance ratio $\sim$36; the heat-capacity anomaly at the transition sharpens, to an overall width of less than K, and shifts from 135.4 to 140.2 K. The heat-capacity anomaly in both the as-grown sample and after the 30-day anneal shows a hysteresis of $\sim$0.15 K, and is unchanged in a magnetic field $μ_{0}$H = 14 T. The X-ray and heat-capacity data combined suggest that there is a first order jump in the structural order parameter. The entropy of the transition is reported.

研究动机与目标

• 理解退火对高质量BaFe2As2单晶中磁结构相变的影响。
• 关联电阻率、比热和X射线衍射随退火时间的变化。
• 确定相变是一级还是二级，并评估其对样品历史的敏感性。
• 评估退火对电子和晶格贡献于比热的影响。
• 研究磁场对相变及其热力学本质的影响。

提出的方法

• 使用Quantum Design物理性质测量系统（PPMS）对作为生长态及在Ar气氛围下700 °C退火1、4、8、14和30天后的BaFe2As2单晶进行了比热测量。
• 在(ab)平面内进行电阻率测量，以评估电子品质和残余电阻率比（RRR）。
• 利用先进光源（6-ID束线）的同步辐射X射线衍射探测结构变化和晶体质量。
• 在最高14 T的磁场下进行磁化率和磁场中比热测量，以评估相变的磁场依赖性。
• 数据分析包括加热与冷却循环的对比，以检测滞后现象和潜热；以及C/T与T²的关系图，以提取低温区的电子和晶格贡献。
• 通过电感耦合等离子体（ICP）和电子探针WDS分析确认化学计量比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在700 °C下长时间退火如何改变BaFe2As2中与磁结构相变相关的比热异常？
• RQ2 退火对BaFe2As2的电阻率和残余电阻率比有何影响，其与电子品质的关系如何？
• RQ3 BaFe2As2中的磁结构相变是否表现出滞后现象和潜热？这对其一级或二级相变本质有何含义？
• RQ4 14 T的磁场如何影响该相变？这揭示了其磁性和结构特性如何？
• RQ5 退火在多大程度上影响正交相中低温区的电子和晶格比热贡献？

主要发现

• 在700 °C下退火30天后，(ab)平面电阻率降低至12 μΩ cm，残余电阻率比约为36，表明电子品质显著提升。
• 与作为生长态样品的较宽异常相比，30天退火后，磁结构相变的比热异常宽度锐化至整体小于1 K。
• 转变温度从作为生长态样品的135.4 K提升至30天退火后的140.2 K。
• 在加热与冷却循环中，无论是作为生长态还是30天退火样品，比热均观察到0.15 K的滞后，表明该相变为一级相变并伴随潜热。
• 在14 T磁场下，相变未发生改变，表明该相变不受强磁场抑制，与一级结构相变一致。
• 30天退火后，低温区电子和晶格比热贡献（C/T与T²关系）未发生变化，表明正交相中态密度和声子谱未发生改变。