[论文解读] Superconductivity at 25 K in hole doped $(La_{1-x}Sr_x)OFeAs$

HH Wen, Gang Mu+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2008

Iron-based superconductors research被引用 8

一句话总结

本文报告在空穴掺杂的（La₁₋ₓSrₓ）OFeAs中发现了25 K的超导性，这是通过用二价的Sr²⁺取代三价的La³⁺实现的，后者引入了空穴载流子。霍尔效应测量证实了以空穴为主的导电行为，所得相图与铜氧化物超导体极为相似，提示铁基与铜氧化物超导体可能存在共同的微观机制。

ABSTRACT

By partially substituting the tri-valence element La with di-valence element Sr in $LaOFeAs$, we introduced holes into the system. For the first time, we successfully synthesized the hole doped new superconductors $(La_{1-x}Sr_x)OFeAs$. The maximum superconducting transition temperature at about 25 K was observed at a doping level of x = 0.13. It is evidenced by Hall effect measurements that the conduction in this type of material is dominated by hole-like charge carriers, rather than electron-like ones. Together with the data of the electron doped system $La(O_{1-x}F_x)FeAs$, a generic phase diagram is depicted and is revealed to be similar to that of the cuprate superconductors.

研究动机与目标

• 探索在LaOFeAs体系中通过空穴掺杂实现超导性的途径，继近期在La(O₁₋ₓFₓ)FeAs中发现电子掺杂超导性之后。
• 确定空穴掺杂是否能像电子掺杂一样在铁基氧氮化物中诱导超导性。
• 通过霍尔效应测量确定掺杂体系中的载流子类型和输运特性。
• 结合空穴掺杂和电子掺杂体系的数据，构建铁基超导体的通用相图。
• 研究铁基超导体与铜氧化物超导体之间的基本相似性，特别是它们的相图和潜在配对机制。

提出的方法

• 通过两步固相反应法合成（La₁₋ₓSrₓ）OFeAs：先形成FeAs颗粒，再用SrCO₃和La₂O₃进行阳离子取代。
• 使用X射线衍射（XRD）确认其四角晶系结构和相纯度，x = 0.13时晶格参数为a = b = 4.0350 Å，c = 8.7710 Å。
• 采用能谱分析（EDX）验证颗粒的元素组成，确认主相中存在La、Sr、Fe、As和O。
• 通过电阻率和霍尔效应测量确定超导转变温度（Tc）及载流子类型。
• 使用SQUID进行磁化率测量，以确认体超导性并验证Tc的起始温度。
• 将空穴掺杂的（La₁₋ₓSrₓ）OFeAs与电子掺杂的La(O₁₋ₓFₓ)FeAs进行比较，构建通用相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管先前报道表明仅电子掺杂有效，但在LaOFeAs中通过空穴掺杂是否能诱导超导性？
• RQ2 在空穴掺杂的（La₁₋ₓSrₓ）OFeAs体系中，载流子的本质是空穴型还是电子型？
• RQ3 空穴掺杂的（La₁₋ₓSrₓ）OFeAs的超导相图与电子掺杂的La(O₁₋ₓFₓ)FeAs及铜氧化物超导体相比如何？
• RQ4 相图的相似性是否暗示存在共同的微观机制，例如接近磁涨落？
• RQ5 特定的Fe 3d轨道（如dxy轨道）在空穴掺杂体系中是否在超导配对中起关键作用？

主要发现

• 在（La₁₋ₓSrₓ）OFeAs中观察到超导性，最大Tc为25 K，对应Sr掺杂浓度x = 0.13。
• 电阻率转变起始温度在宽掺杂范围（x = 0.10至0.20）内保持稳定，表明超导性具有强鲁棒性。
• 霍尔效应测量显示在整个测量温度范围内霍尔系数为正，证实了体系中存在空穴型载流子。
• 在100 K时，空穴掺杂样品的载流子密度估算为4.57 × 10²⁰ cm⁻³，表明载流子密度较低。
• XRD和EDX证实主相为（La₁₋ₓSrₓ）OFeAs，且由于Sr²⁺离子半径较大，晶格发生膨胀。
• 结合空穴掺杂和电子掺杂体系数据构建的通用相图与铜氧化物超导体的相图极为相似，提示存在共同的唯象特征。