(Hg_(0.7)Cr_(0.3)) Sr_(2)CUO_(4+δ)에서 apical oxygen의 역할

Abstract

수은계 초전도체는 다른 초전도체에 비해 전이온도가 높기 때문에 많은 연구의 대상이 되고 있다. 그러나 수은계 초전도체는 합성법이 어렵고, 화학적으로 안정하지 못하다는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 수은계 초전도체 HgBa_(2)CuO_(4)+_(δ)(Hg-1201)에서 Ba이 Sr으로 치환되고 Hg의 일부가 Cr으로 치환된 시료를 연구대상으로 다양한 측정을 하고, 그 결과를 분석하였다. 이 시료는 인도의 Saha연구소에서 만들었다. Ba은 습기에 민감하기 때문에 Ba을 Sr로 치환하면 습기에 안정하게 되는데 이때 Hg-1201상이 불안정하므로 Cr이 0.3정도 Hg자리에 들어가야 Hg-1201상이 안정하게 된다. 이 시료를 Hg/Cr(Sr)-1201이라 부르자. Hg/Cr(Sr)-1201의 꼭지점 산소 O_(A)의 환경이 순수 Hg-1201에서의 O_(A)과 달라졌기 때문에 O_(A)의 주변환경 변화와 그에 따른 물성 변화와의 관계를 알기 위해서는 O_(A)의 라만 연구가 필요하다. Hg/Cr(Sr)-1201의 경우에는 O_(A)주변에 +2가인 Hg뿐만 아니라 +6가인 Cr도 있고, Oδ량도 순수 Hg-1201 경우보다 더 많다. 그러므로 Hg/Cr(Sr)-1201시료내의 O_(A)의 라만 모드 변화를 관찰하는 것은 O_(A) 주변환경의 변화를 알 수 있게 하므로 중요한 실험결과를 제시할 것이다. Hg/Cr(Sr)-1201의 라만 스렉트라를 보면 553cm^(-1)과 583cm^(-1)에서 큰 피크를 보이는데, 이들은 모두 O_(A)의 A_(1g)모드라고 해석한다. 이 중에 553cm^(-1)는 Cr-O_(A)결합에서의 O_(A)모드이고, 583cm^(-1)는 Hg-O_(A)결합에서의 O_(A)모드라고 본다. 이 결과는 Chmaissem[l]의 전자회절실험에 의해 관측된 Hg/Cr(Sr)-1201이 5a×5a×2c인 크기의 초세포(super cell), 즉 덩어리 (clustering)를 이룬다는 실험과 일치되는 사실이다. 또한 Hg-O_(A)결합에 의한 O_(A)의 A(1g)모드가 Hg-1201의 O_(A)에 비해서 10cm-1정도 더 낮은 주파수인 583cm-1에서 나타나는데 이것은 Cr으로 치환됨에 따라 O_(A)의 퍼텐설(potential)의 깊이가 얕아져서 스프링상수가 작아지고, 이로 인해 진동이 약해지기 때문으로 해석한다. 즉, Hg/Cr(Sr)-1201 시료의 층간 결합력이 작아진 것으로 볼 수 있다. Hg/Cr(Sr)-1201의 경우 크기가 작은 Sr이 Ba대신 들어감에 따라 c축으로의 길이가 줄어들어 층간결합력이 강해져서 다발 잡아둠 현상(flux pinning)이 증가한다는 보고가 있었다. 그러나 이 시료를 낱알정렬하고 자기장과 온도의 변화에 따른 자화를 측정해 본 결과 T^(*)에서 자기장에 무관하게 M^(*) = 0.165G의 자기화를 갖음을 알 수 있었고, 이는 곧 소용돌이 요동이 나타난다는 것으로 볼 수 있었다. 소용돌이 요동이 일어나는 것과 BLK (Bulaeskii, Ledvij, Kogan)와 Koshelev, Ulla등의 2차원적인 이론을 적용하여 실험 값과 비교하였을때 잘 맞는 것은 Hg/Cr(Sr)-1201이 2차원적 성질이 강하여 약한 층간 결합을 하고 있다는 것을 의미한다. 이는 라만 실험 결과와도 부합한다. 라만의 실험 결과에서도 O_(A)의 모드가 Hg-1201의 592cm^(-1)보다 10cm^(-1)정도 낮게 나온 것은 Hg/Cr(Sr)-1201 시료의 층간 결합력이 약해졌기 때문으로 볼 수 있다.;The mercury-based superconductors HgBa_(2)Ca_(n-1) Cu_(n) O_(2n+2+δ) have been studied widely due to their high transition temperatures compared to other superconductors. However, the usual mercury-based superconductors are unstable to exposure to a moist atmosphere due to Ba in the compound. It has been shown that total substitution of Sr at Ba sites of HgBa_(2)O_(4+δ) (Hg-1201) is achieved when about 30% of Hg is replaced by Cr and yields chemically stable superconductors. This sample is from Saha laboratory in India. It is important to investigate the local environment of the interstitial oxygen O_(δ) and the apical oxygen O_(A)in the Sr-substituted Hg-1201. The changes in the O_(δ) atoms in the O_(A) neighbor and the replacement of the Hg atoms by Cr atoms would result in the changes in the O_(A) A_(1g) Raman modes in the Sr-substituted Hg-1201. Raman spectra from the Sr-substituted Hg-1201 samples show broad A_(1g) double peaks at 554 and 584 cm^(-1), which are considerably lower than those of the genuine Hg-1201. The double peak feature at near 580 cm^(-1) is common among the mercury-based superconductors, and the separation of the peaks is about 15 cm^(-1). However, the peak at 554 cm^(-1) is 30 cm^(-1) apart, almost twice of the usual separation of the double peaks, from the 584 cm^(-1) peak which is due to the Hg-O_(A) bond in the samples. This peak at 554 cm^(-1) is proposed to be directly from the Cr-O_(A) bond in the Sr-substituted Hg-1201 samples. Two mode behavior, i.e, one peak from the Cr-O_(A), the other from the Hg-O_(A), is indicating the existence of the supercell structure of the Cr-rich and the Hg-rich regions. This result is consistent with the result of Chmaissem et al. reporting the possibility of supercell structure. Solid-solution compounds where Cr, Re, and other metals are substituted for Hg in mercury-based superconductors have been reported to exhibit enhanced flux-pinning behavior. However, our magnetization measurements on the grain-aligned Sr-substituted Hg-1201 samples show a strong two-dimensional property, indicating weak layer-layer coupling in the samples. This is consistent with the Raman result; the Raman frequency of the Of A_(1g) mode of the Sr-substituted Hg-1201 is lower by 10 cm^(-1) than the pure Hg-1201.