[论文解读] 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 2

一句话总结

本研究证明，层状锂铁硒氧化合物（Li1-xFex(OH)Fe1-ySe）中的超导性主要由铁空位浓度和铁的氧化态控制，当空位浓度较低（y < 0.05）且铁的氧化态略低于+2价时，超导转变温度Tc > 40 K；还原性锂化处理通过填充空位并降低铁的氧化态，进一步增强超导性。

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

研究动机与目标

• 研究铁空位浓度在调控层状锂铁硒氧化合物电子结构和物理性质中的作用。
• 确定Li1-xFex(OH)Fe1-ySe中铁的氧化态与超导转变温度（Tc）之间的关系。
• 探讨后合成化学修饰是否能够诱导或增强超导性。
• 阐明空位浓度、氧化态与晶体结构之间的相互作用如何决定超导行为。

提出的方法

• 采用水热法合成具有可控铁空位浓度（0.02 < y < 0.15）的Li1-xFex(OH)Fe1-ySe单晶。
• 利用单晶X射线衍射和中子粉末衍射测定晶体结构及空位有序性。
• 采用X射线吸收谱探测铁的局部电子环境及其氧化态。
• 应用还原性后合成锂化处理，以改变Fe位点的占位率和氧化态。
• 通过电输运测量和磁化率测量确定超导转变温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeSe层中铁空位浓度如何影响Li1-xFex(OH)Fe1-ySe的超导转变温度？
• RQ2 铁的氧化态在该体系中促进或抑制超导性的角色是什么？
• RQ3 后合成化学处理（如锂化）是否能够诱导非超导样品中的超导性？
• RQ4 还原性锂化过程中发生哪些结构和电子变化，从而促进超导性？

主要发现

• 仅当FeSe层中铁空位浓度较低（y < 0.05）时，才能实现Tc > 40 K的超导性。
• 铁的氧化态略低于+2价是实现超导性的关键，氧化态越高则Tc越低。
• 空位浓度较高（y > 0.05）且相应Fe氧化态较高的样品保持非超导性。
• 还原性后合成锂化处理成功诱导出Tc超过40 K的超导性，其机制为填充Fe空位并降低Fe氧化态。
• 低空位浓度与降低的Fe氧化态的协同作用被确定为实现高Tc超导性的关键条件。
• Li1-xFex(OH)Fe1-ySe中的Li1-xFex(OH)储层层可作为Fe原子源，在锂化过程中向FeSe层迁移以填补空位，从而实现结构与电子结构的调控。