[论文解读] Physical and magnetic properties of Ba(Fe_(1-x)Mn_x)_2As_2 single crystals

A. Thaler, Hodovanets, H.+7 more|Iowa State University Digital Repository (Iowa State University)|Sep 9, 2011

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究调查了掺锰的BaFe2As2单晶，发现与钴或铬掺杂相比，锰取代对结构/磁性转变温度（T_s/m）的抑制速率更慢，且在x = 0.148以内未观察到超导性。当x ≈ 0.1–0.2以上时出现相分离，且在x ≈ 0.1附近可能发生了Lifshitz转变，表明其电子结构变化与其它过渡金属掺杂体系不同。

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.

研究动机与目标

• 了解锰取代对BaFe2As2单晶物理与磁性性质的影响。
• 确定在Mn掺杂的BaFe2As2中是否如Co和Ni掺杂类似体系中那样出现超导性。
• 研究随着锰浓度（x）增加，结构/磁性转变温度（T_s/m）的抑制行为。
• 比较Mn掺杂与Co、Ni和Cr掺杂在转变抑制与电子结构演化方面的行为差异。
• 识别可能的电子结构转变，如由热电功率和电阻率异常指示的Lifshitz转变。

提出的方法

• 采用高温溶液生长法通过自 flux 法生长了Ba(Fe1-xMnx)2As2单晶。
• 利用粉末X射线衍射结合Rietica精修对结构进行表征，以确定晶格参数。
• 通过电输运、磁化率和热电功率测量探测T_s/m及电子行为。
• 对x=0.102样品施加静水压（最高达20 kbar），以比较压力与掺杂效应。
• 基于输运、磁化率和热电功率数据，构建了T_s/m与x的相图。
• 与Co、Ni和Cr掺杂的BaFe2As2体系进行对比分析，评估转变抑制与电子响应的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在BaFe2As2中，Mn取代是否如Co和Ni掺杂体系中那样诱导出超导性？
• RQ2 与Co、Ni和Cr掺杂体系相比，Mn掺杂BaFe2As2中T_s/m的抑制速率如何？
• RQ3 在Ba(Fe1-xMnx)2As2中，相分离或不相容性在何种Mn浓度（x）下变得明显？
• RQ4 是否存在由热电功率或电阻率异常指示的电子结构转变，如Lifshitz转变？
• RQ5 Mn掺杂与静水压（最高20 kbar）在x=0.102样品中的效应是否具有叠加性？

主要发现

• 在所有Mn浓度（x ≤ 0.148）下均未观察到超导性，尽管T_s/m被抑制。
• 当x > 0.1–0.2时，发生向Mn富集与Fe富集区域的相分离，导致无法形成均匀单相。
• Mn掺杂对T_s/m的抑制速率约为Co取代的一半，略快于Cr取代。
• 在T ≈ 150–200 K（高于T_s/m）出现电阻率异常，表明在x ≈ 0.1附近可能存在Lifshitz转变，其特征为S/T的零交叉。
• 在x ≈ 0.1以上，磁性转变温度T_m随x增加而上升，与Co/Ni/Cu掺杂体系中单调抑制的行为形成对比。
• 在x=0.102样品中，Mn掺杂与静水压（最高20 kbar）的效应不具叠加性，表明电子响应非加和。