[论文解读] Structural phase transition in Ba(Fe0.973Cr0.027)2As2 single crystals

S. L. Bud’ko, S. Nandi+7 more|ArXiv.org|Jun 23, 2009

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究通过热力学、输运性质和单晶X射线衍射测量，系统研究了Ba(Fe0.973Cr0.027)2As2单晶的结构与电子性质。结果明确证实，在约112 K处发生一级四角相到正交相的相变，与先前报道的四角相到四角相的相变相矛盾，并证实即使在Cr共掺杂条件下，该结构相变依然具有高度稳定性。

ABSTRACT

We present thermodynamic, structural and transport measurements on Ba(Fe0.973Cr0.027)2As2 single crystals. All measurements reveal sharp anomalies at ~ 112 K. Single crystal x-ray diffraction identifies the structural transition as a first order, from the high-temperature tetragonal I4/mmm to the low-temperature orthorhombic Fmmm structure, in contrast to an earlier report.

研究动机与目标

• 为解决关于Cr共掺BaFe2As2中结构相变本质的相互矛盾报告，特别是关于四角相到四角相转变的争议。
• 确定在x = 0.027的Cr共掺杂下，Ba(Fe1-xCrx)2As2中结构/磁性相变的根本性质是否发生改变。
• 利用高分辨率单晶X射线衍射，提供晶体对称性变化的决定性证据。
• 表征相变温度附近热力学与输运行为，以判断其为一级相变或二级相变。
• 澄清本研究与先前研究（sef09a）在相似掺杂水平下报告不同相变机制之间的差异。

提出的方法

• 采用自熔法在密封石英管中以Ar气保护，生长Ba(Fe0.973Cr0.027)2As2单晶，原料为Ba、FeAs和CrAs。
• 通过波长色散能谱（WDS）在20个位置测定元素组成，测得平均x = 0.027，2σ误差为±0.002。
• 利用MPMS和PPMS仪器测量温度依赖的磁化率、电阻率、霍尔效应、比热容和热膨胀系数。
• 采用Cu Kα辐射和四圆衍射仪进行单晶X射线衍射测量，数据采集温度范围为25 K至125 K。
• 通过(ξξ0)扫描中(1110)衍射峰的分裂程度量化正交畸变，并通过摇动曲线分析共存相行为。
• 数据分析包括电阻率的微分分析（dρ/dT）以及a轴与c轴热膨胀系数的比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在x = 0.027的Cr共掺杂下，Ba(Fe1-xCrx)2As2是否如先前报道的那样发生四角相到四角相的结构相变？
• RQ2 Cr共掺BaFe2As2中结构相变的真实本质（一级或二级）是什么？
• RQ3 根据单晶X射线衍射结果，晶体对称性在相变过程中如何演变？
• RQ4 热力学与输运性质中观测到的异常是否与一级相变一致？
• RQ5 本研究结果与早期报道（sef09a）在相同化合物中报告不同相变机制的差异原因是什么？

主要发现

• 所有热力学与输运探测手段均识别出在Tsm ≈ 112 K处发生尖锐的一级结构相变。
• 单晶X射线衍射无歧义地证实了从四角相（I4/mmm）到正交相（Fmmm）的转变，而非四角相到四角相的变化。
• 正交畸变在112 K处出现突跃，100 K时分裂量约为0.030 Å，与母相及掺杂化合物的趋势一致。
• 四角相与正交相共存区域宽度不超过0.5 K，进一步证实该相变为一级相变。
• 尽管掺杂水平较低（x = 0.027），该相变对Cr共掺杂具有强鲁棒性，结构相变仍保持一级特征。
• 在约30–35 K附近，磁化率、电阻率和热膨胀系数中观测到宽峰异常，提示可能存在二级相变或交叉转变，但其起源尚不明确。