[論文レビュー] Controlling parameters for superconductivity in layered lithium iron hydroxide selenides

Hualei Sun, Daniel N. Woodruff+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2014

Iron-based superconductors research参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、層状リチウム鉄セレン化水酸化物（Li1-xFex(OH)Fe1-ySe）における超伝導性が主に鉄空孔濃度と鉄の酸化状態によって制御されることを示しており、空孔濃度が低く（y < 0.05）鉄がわずかに+2未満の酸化状態にある場合にTc > 40 Kの最適な超伝導性が達成される。還元的リチウム化処理により空孔が埋まり、Feの酸化状態が低下することで、超伝導性がさらに向上する。

ABSTRACT

Hydrothermal synthesis is described of layered lithium iron selenide hydroxides Li1-xFex(OH)Fe1-ySe (x ~ 0.2; 0.02 < y < 0.15) with a wide range of iron site vacancy concentrations in the iron selenide layers. This iron vacancy concentration is revealed as the only significant compositional variable and as the key parameter controlling the crystal structure and the electronic properties. Single crystal X-ray diffraction, neutron powder diffraction and X-ray absorption spectroscopy measurements are used to demonstrate that superconductivity at temperatures as high as 40 K is observed in the hydrothermally synthesised samples when the iron vacancy concentration is low (y < 0.05) and when the iron oxidation state is reduced slightly below +2, while samples with a higher vacancy concentration and a correspondingly higher iron oxidation state are not superconducting. The importance of combining a low iron oxidation state with a low vacancy concentration in the iron selenide layers is emphasised by the demonstration that reductive post-synthetic lithiation of the samples turns on superconductivity with critical temperatures exceeding 40 K by displacing iron atoms from the Li1-xFex(OH) reservoir layer to fill vacancies in the selenide layer

研究の動機と目的

• 層状リチウム鉄セレン化水酸化物の電子的および構造的性質を調整するにあたり、鉄空孔濃度の果たす役割を調査すること。
• Li1-xFex(OH)Fe1-ySeにおける鉄の酸化状態と超伝導転移温度（Tc）の関係を特定すること。
• 後処理による化学的改質が超伝導性を誘発または強化できるかどうかを検討すること。
• 空孔濃度、酸化状態、および結晶構造の相乗的相互作用が超伝導挙動をどのように決定づけるかを確立すること。

提案手法

• 制御された鉄空孔濃度（0.02 < y < 0.15）を有するLi1-xFex(OH)Fe1-ySeの単結晶を水熱合成法により合成した。
• 単結晶X線回折および中性子粉末回折を用いて結晶構造と空孔の秩序性を同定した。
• X線吸収スペクトロスコピーを用いて鉄の局所的電子環境および酸化状態を分析した。
• 還元的後処理としてリチウム化処理を施し、Feサイトの占有状態と酸化状態を変更した。
• 電気的抵抗率および磁化率測定により超伝導転移温度を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeSe層内の鉄空孔濃度が、Li1-xFex(OH)Fe1-ySeにおける超伝導転移温度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 この系における鉄の酸化状態が、超伝導性の発現または抑制に果たす役割は何か？
• RQ3 リチウム化などの後処理による化学的処理が、非超伝導性の試料に超伝導性を誘発できるか？
• RQ4 還元的リチウム化の過程で、超伝導性を促進する構造的および電子的変化は何か？

主な発見

• Tc > 40 Kの超伝導性は、FeSe層内での鉄空孔濃度が低い（y < 0.05）場合にのみ実現された。
• 超伝導性に不可欠なのは、わずかに+2未満の酸化状態にある鉄であり、酸化状態が高くなるとTcが抑制される。
• 空孔濃度が高いうね（y > 0.05）で、それに応じてFe酸化状態も高い試料は、非超伝導性のままであった。
• 還元的後処理としてのリチウム化処理により、空孔が埋まり、Fe酸化状態が低下することで、Tcが40 Kを超える超伝導性が実際に誘発された。
• 低空孔濃度とFe酸化状態の低減が、高Tc超伝導性を実現するための重要な条件であると特定された。
• Li1-xFex(OH)のリザーバー層が、リチウム化過程でFe原子を供給し、FeSe層内の空孔を埋める役割を果たしており、構造的および電子的調整を可能としている。