압력에서 재등장하는 30.4K 초전도와 11% 간격 Fe가 도핑된 FeSe 단결정

초록

수소열이온교환·탈삽입 공정을 통해 Fe1.11Se 단결정을 합성하고, 30.4 K의 초전도 전이를 관찰하였다. 압력에 따라 Tc는 2–2.6 GPa에서 최소값을 보이며 V자형 변화를 보여, 5 GPa 이상에서 재등장하는 두 번째 초전도 영역과 가능한 스트리프형 반강자성 전이를 나타낸다. 이는 기존 s‑FeSe와 FeSe‑intercalate의 압력 상과 유사하면서도 차별적인 전자·구조적 특성을 제시한다.

상세 분석

본 연구는 전통적인 고온 평형 합성으로는 얻기 어려운 11 %의 간격 Fe(Fe2) 를 포함한 Fe1.11Se 단결정을 수소열이온교환과 선택적 탈삽입이라는 두 단계 비평형 공정으로 성공적으로 제조한 점이 가장 큰 혁신이다. 단결정 X‑ray 구조 분석 결과, Fe2 이온은 2c 자리(0.866, 0.866, 0) 에 무작위로 배치되어 있으며, 점유율 11 %는 Fe‑Se 이진 상도표의 용해 한계를 크게 초과한다. Mössbauer 스펙트럼과 자기 측정에서 Fe2는 비자성이며 S=2( d⁶ ) 전자구조를 유지함을 확인하였다. 이러한 비자성 간격 Fe는 전자를 도핑하는 역할을 수행해 전자 농도 nₑ≈1.3×10²¹ cm⁻³ 로 s‑FeSe(≈2×10²⁰ cm⁻³) 보다 한 차원 높은 수준을 제공한다.

전기 전도도 측정에서 ρ‑T 곡선은 비페르미액체 지수 α≈1을 보이며, 이는 전자 상관효과가 강함을 시사한다. Hall 효과는 전자 지배 단일 밴드 특성을 나타내며, 초전도 전이 온도 Tc(onset)=30.4 K 로 s‑FeSe(8.5 K) 를 크게 초과한다. 이는 KₓFe₂Se₂와 거의 동일한 Tc이며, Fe2가 nematic 전이를 억제하고 전자 도핑을 통해 초전도성을 강화한다는 결론을 뒷받침한다.

압력 실험에서는 Tc가 2–2.6 GPa에서 약 15 K 로 최소값을 보인 뒤, 5 GPa 이상에서 다시 상승하여 31 K까지 도달한다. 이 V자형 압력 의존성은 FeSe‑intercalate(예: (Li₁₋yFe_y)OHFeSe, Liₓ(NH₃)ᵧFe₂Se₂)에서 보고된 두 번째 초전도 돔과 유사하지만, 여기서는 5–6 GPa 구간에서 스트리프형 반강자성 전이(T_m) 가 동반되는 점이 차별적이다. 구조적 X‑ray 분석은 0–6 GPa 구간에서 셀 부피와 c/a 비가 정상적으로 감소하나, 6 GPa 이상에서는 Birch‑Murnaghan 방정식에서 벗어나 비정상적인 압축 거동을 보여, 층간 결합이 강화되는 현상을 암시한다.

DFT 계산은 압력에 따라 Fermi surface가 2차원 원통형에서 3차원 구형으로 변형되는 과정을 재현한다. 압축에 따라 밴드가 A‑M 경로를 가로질러 Fermi 레벨에 접근하면서 전자 포켓이 확대되고, 총 DOS는 감소하지만 Tc와 직접적인 상관관계는 없음을 보여준다.

이러한 결과는 간격 Fe가 단순히 초전도성을 억제하는 것이 아니라, 적절한 농도와 비평형 합성 조건 하에서는 전자 도핑 및 구조적 변형을 통해 초전도성을 크게 강화할 수 있음을 증명한다. 또한 압력에 의한 V자형 Tc 변곡과 고압에서 나타나는 가능한 반강자성 전이는 FeSe 기반 시스템에서 전자·격자 상호작용의 복합적인 역할을 재조명한다. 향후 Fe2 농도와 압력 조절을 통한 양자 임계점 탐색, 그리고 인터칼레이션 구조와의 결합을 통한 Tc 극대화 전략이 기대된다.