Origen, propiedades y efectos del avejentamiento en la superficie de monocristales del superconductor ꞵ-FeSe
El compuesto binario superconductor β-FeSe es un sistema laminar de hierros unidos con selenios en el plano mediante uniones de tipo covalentes, formando capas que están unidas por fuerzas de Van der Waals a lo largo del eje-c. Este sistema posee una estructura tetragonal simple, de tipo anti-PbO (g...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2023
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1198/1/1Lanoel.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | El compuesto binario superconductor β-FeSe es un sistema laminar de hierros unidos con selenios en el plano mediante uniones de tipo covalentes, formando capas que están unidas por fuerzas de Van der Waals a lo largo del eje-c. Este sistema posee una estructura tetragonal simple, de tipo anti-PbO (grupo espacial P4_nmm) el cual posee una transición electrónica-estructural a una temperatura de ∼90 K, donde la estructura pasa a ser ortorrómbica y la transición de fase electrónica, llamada transición hemática, se caracteriza por la aparición de magnetoresistencia positiva cuando se aplica campo paralelo al eje-c. Este sistema, a diferencia de otros de su mismo tipo, no muestra transición de orden magnético hasta la temperatura de transición de fase superconductora que suele estar en Tc=8 K.
Durante el proceso de caracterización de este sistema, observamos mediante espectroscopia Raman, la aparición de un modo vibracional en ≈250 cm"−1, el cual no es esperado para el sistema de bulto de este compuesto. En este trabajo se realizó un estudio exhaustivo mediante variadas técnicas en la búsqueda de entender este fenómeno que era promovido por el paso del tiempo. Se tomaron espectros Raman en un amplio rango de temperaturas, 5-773 K. Se hicieron ajustes Lorentzianos de todos los espectros tomados con los que se determinó la dependencia en temperatura tanto de la energía como de la sección eficaz Raman.
Se estudió la composición química, en perfil de profundidad utilizando la técnica de comido iónico en un equipo de espectroscopia por fotoemisión de electrones, de muestras donde se observaba y otras donde no se observaba la nueva señal Raman. Se tomaron mediciones de transporte eléctrico en función de la temperatura en muestras que tenían esta característica propia del paso del tiempo, donde se observaron mejoras en las propiedades superconductoras, obteniendo una temperatura de inicio de la transición superconductora, TO_nset = 14K, y una temperatura crítica (temperatura a la que la resistencia de la muestra es cero), Tc=10 K.
Se propuso un modelo para explicar el fenómeno, y se resolvieron mediante teoría de grupos los modos vibracionales esperados para una sola lámina de β-FeSe. Del modelo se desprende la aparición de un nuevo pico, que se debe a que en el nuevo grupo de simetría un modo que no es Raman activo en el bulto, si lo es para el sistema bidimensional. El ajuste teórico-experimental fue muy bueno (R"2 > 0.99) y las dependencias en polarización que se esperan están de acuerdo con las observadas. Además la energía de unión covalente que se obtiene del ajuste, es consistente con lo calculado en simulaciones de este compuesto.
Además se observaron modos vibracionales interlaminares predichos en este sistema, pero que no fueron reportados al momento de escritura de este trabajo. A partir de la energía de este modo, mediante un modelo simple unidimensional, podemos calcular la constante de acoplamiento del sistema y la misma es razonable en relación a las que se obtienen en otros compuestos laminares.
Finalmente, se tomaron espectros Raman en una muestra del compuesto β-FeTe, el cual tiene una estructura cristalina análoga al β-FeSe, en busca de un fenómeno similar al observado, y basándonos en trabajos presentes en la literatura, se determinó que en estas familias de compuestos calcogenuros y dicalcogenuros de metales de transición, se forman alótropos del calcógeno correspondiente en la superficie del mismo.
En este trabajo se logró determinar cual es el proceso que da lugar al envejecimiento de este compuesto. ´Este, es un proceso de degradación de la superficie poco convencional en el que se observa un estadio intermedio formado por varios compuestos. La superficie avejentada está compuesta por una mezcla de ´oxido de hierro, selenio amorfo, FeSe en estado iónico y el compuesto original β-FeSe. El remanente de β-FeSe en esta capa avejentada resultaría desacoplado del bulto, lo que produciría la aparición de un nuevo modo Raman prohibido para el bulto, pero esperado para una sola lámina de β-FeSe, es decir, para β-FeSe bidimensional. Este resultado se deprende de resolver cuales serían los modos vibracionales esperados y sus energías, para β-FeSe bidimensional.
La energía, actividad Raman y dependencia en polarización del nuevo pico en 250 cm"−1 se encuentra de acuerdo con lo observado mediante espectroscopia Raman y este desacoplamiento de las primeras capas superficiales explicaría además las mejoras en las propiedades superconductoras observadas en mediciones de transporte eléctrico.
Además se observaron modos interlaminares de baja energía. Éstos, fueron predichos pero aun no reportados para este compuesto al momento de escritura de esta tesis. Estos resultados necesitan de más experimentos y modelos mas complejos para ser entendidos mejor. Por último observamos en experimentos Raman en cristales de β-FeTe el mismo fenómeno de avejentamiento, que en este caso, da lugar a señal de teluro amorfo en la superficie de cristales avejentados que al clivar se recupera la señal del compuesto original. Este resultado, junto con reportes de aparición de un pico en 250 cm"−1 en distintos seleniuros, como ser: Bi_2Se_3, MoSe_2, TiSe_2 y TaSe_2 sugiere que el proceso de envejecimiento y degradación de la superficie que resulta en señal Raman del calcógeno del que este formado el compuesto en estado amorfo en la superficie es ubicuo a todos los compuestos calcogenuros. |
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