Sm2-xCexCuO4에 대한 라만 분광학 연구

Abstract

Ln₂^-xCe^xCuO₄ has T_c= 15 - 25 K for 0.1 < x <0.17. In the most of high temperature superconductors, the carriers of the superconducting current have been electron vacancies(holes). By contrast, this materials have electrons with charge carriers. The structure of this materials is body-centered tetragonal structure. There are two phase in body-centered tetragonal structure, T-phase and T -phase, as the position of the out-of-CuO₂plane oxygen. The optical difference between two phases is the presence of B₁^g mode. There is B₁^g mode in T - phase, but no B₁^g mode in T-phase. Ln₂^-xCe^xCuO₄has T -phase. We performed Raman and infrared measurements of optical phonons in superconducting Sm_1.85Ce_0.15CuO₄single crystal (T_c = 15 K) and ceramic Sm_2-xCe_xCuO₄samples. All zone-center phonon modes predicted by a factor group analysis have been identified, expect for the low-frequency E_g mode involving Sm(Ce) atoms. We confirmed that Sm_1.85Ce_0.15CuO₄remains to be body centered tetragonal T - phase structure as its parent Sm₂CuO₄from the presence of B₁^g mode in our Raman measurements. This is in strong contradiction to the previous claim by Heyen et al. that in Ce-doped Ln₂^-xCe^xCuO₄, the structure changes from T - phase to T - phase. Two additional c-axis modes withA₁^g symmetry were found at 134 cm^-1 and 591 cm^-1 in Raman spectra. We identified the mode at 134 cm^-1 as the leakage of the lowest -frequency infrared-active c-axis A_2u mode To find the origin of 591 cm^-1, we performed Raman, infrared , and X-ray diffraction measurements and Rietveld analyses on their profiles on a number of Sm_2-xCe_xCuO₄(x = 0.0, 0.05, 0.10, 0.13, 0.16, 0.17, 0.18) ceramic samples. Our Rietveld analyses confirm that Sm_2-xCe_xCuO₄remains to be body centered tetragonal T - phase structure as its parent Sm_2CuO₄, regardless of its doping content x. The results our Raman measurements show, for the first time, that the strong peak at near 590 cm^-1 of A_1g character appears only in the narrow range of the Ce-doping content, 0.1 < x < 0.17 coinciding with the Ce-doping range whewe the Sm_2-xCe_xCuO₄is superconducting at low temperature. The strong A_1g character of the 590 cm^-1 mode and narrow Ce-atoms are deviating predominantly into c-axis directionfrom their symmetric sites significantly in the T - phase structure. The fact that Ce-doping range in which the 590 cm^-1 mode appears in the Raman spectra is coinciding with the range in which the Sm_2-xCe_xCuO₄is superconducting implies that these deviations of the oxygens in the T - phase structure affect the electronic structure of the system in such a way that it manifest the superconductivity at low temperatires. ; Ln₂^-xCe^xCuO₄(Ln= Pr, Nd, Sm, Er)는 치환량 x가 약 0.10-0.17 사이의 값을 가질 때 T_c가 약 25-15 K인 초전도체가 된다. 이 물질은 대부분의 고온초전도체가 양공이 전하 운반자의 역할을 하는 것과는 달리 전자가 전하 운반자역할을 한다. Ln₂^-xCe^xCuO₄는 체심정방구조(body-centered tetragonal structure)를 갖고 있다. 체심정방구조에는 CuO₂평면 밖의 산소 위치에 따라 T-상태와 T -상태로 나뉘어 진다. 두 상태의 광학적 성질의 차이는 라만 활성 모드 중 B₁^g모드의 유무로서, T -상태 구조에는 B₁^g모드가 있으나, T -상태 구조에는 이 모드가 없다. Ln₂^-xCe^xCuO₄는 체심정방구조 중 T -상태이다. 양공이 전하 운반자 역할을 하는 La₂^-xSr^xCuO₄는 T-상태 구조로서 T -상태 구조와 대별된다. 본 실험에서는 Ln의 자리에 Sm이 들어간 Sm_1.85Ce_0.15CuO₄단결정에 대한 편광 라만 실험을 통해 단위 세포군 분석에서 나타난 라만 모드들을 확인 하였고, B₁^g모드를 확인하여 이 물질의 구조가 T -상태임을 확인함으로써 이 치환량에서 구조가 부분적으로 T -상태에서 T-상태로 전환한다는 기존의 가정[18]이 틀렸음을 증명하였다. 또한, zz편광 방향 실험에서 단위 세포군 분석에서 예측되지 않은590 cm^-1의 피크를 발견하였다. 이 피크의 원인을 알아내기 위해 x = 0.0 - 0.18사이의 다양한 값으로 치환된 다결정 Sm_2-xCe_xCuO₄시료에 대한 라만 분광학 실험과 적외선 분광학 실험 그리고 X선 실험및 리에펠트 분석을 수행하였다. 편광 라만 실험과 리에펠트 분석 결과, Sm_2-xCe_xCuO₄은 치환량에 상관없이 T -상태 구조를 유지한다는 것을 확인하였다. 본 연구 결과, 강한 A₁^g성격의 590 cm^-1 피크가 Ce 첨가량이 우리가 측정한 시료들 중, 0.1 과 0.17 사이의 좁은 영역에서 나타난다는 것이 밝혀졌다. 590 cm^-1 피크의 강한 A₁^g성격과 좁은 Ce-치환량에서만 나타나는 현상으로부터, 이 모드는 치환된 Ce 원자 주변의 원자 (특히, 산소 원자)의 위치 무질서(disorder) (특히, C-축 방향으로 이동)의 증가에 기인한다는 결론을 내렸다. Ce 첨가량이 0.1 과 0.17사이인 영역은 바로 이 물질이 저온에서 초전도성을 보이는 영역과 거의 일치하는 점으로 미루어, 이러한 무질서(disorder)가 이 물질의 전자구조에 큰 영향을 미치는것으로 보이며 이 전자구조의 변화가 초전도성과 관련이 있을 가능성을 시사한다.