[论文解读] Element substitution effect in transition metal oxypnictide Re(O$_{1-x}$F$_x$)TAs (Re=rare earth, T=transition metal)

G. F. Chen, Z. Li+7 more|ArXiv.org|Mar 31, 2008

Iron-based superconductors research被引用 6

一句话总结

本研究探讨了稀土基氧砷化物超导体 Re(O₁₋ₓFₓ)TAs（Re = La, Ce, Nd, Eu, Gd, Tm；T = Fe, Ni, Ru）中元素取代的影响。通过系统地替换稀土元素并进行氟掺杂，作者发现，在 Nd 和 Ce 基 FeAs 体系中，通过 F 掺杂引入电子掺杂可使 Tc 提升至约 50 K，而重稀土元素（Gd, Eu, Tm）则会抑制超导性或阻止稳定相的形成。结果突显了稀土离子尺寸和电子结构在稳定高 Tc 超导性中的关键作用。

ABSTRACT

Different element substitution effects in transition metal oxypnictide Re(O$_{1-x}$F$_x$)TAs with Re=La, Ce, Nd, Eu, Gd, Tm, T=Fe, Ni, Ru, were studied. Similar to the La- or Ce-based systems, we found that the pure NdOFeAs shows a strong resistivity anomaly near 145 K, which was ascribed to the spin-density-wave instability. Electron doping by F increases T$_c$ to about 50 K. While in the case of Gd, the T$_c$ is reduced below 10 K. The tetragonal ZrCuSiAs-type structure could not be formed for Eu or Tm substitution in our preparing process. For Ni-based case, although both pure and F-doped LaONiAs are superconducting, no superconductivity was found when La was replaced by Ce in both cases, instead a ferromagnetic ordering transition was likely to form at low temperature in F-doped sample. We also synthesized LaO$_{1-x}$F$_x$RuAs and CeO$_{1-x}$F$_x$RuAs compounds. Metallic behavior was observed down to 4 K.

研究动机与目标

• 研究稀土（Re）和过渡金属（T）取代对 Re(O₁₋ₓFₓ)TAs 氧砷化物中超导性能的影响。
• 确定通过 F 取代引入的电子掺杂如何影响超导转变温度（Tc）及竞争性电子序。
• 检查不同稀土元素下 ZrCuSiAs 型四边形相的结构稳定性。
• 确定磁相互作用（如铁磁有序）在 Ce 基 NiAs 体系中抑制超导性的角色。
• 探索 Ru 基化合物中的电子基态，特别是 CeO1-xFxRuAs，其表现出金属行为但无超导性。

提出的方法

• 通过固相反应法合成 Re(O₁₋ₓFₓ)TAs 化合物，使用 ReAs、ReF₃ 和 As 或 T 基氧化物/砷化物作为前驱体。
• 在抽真空的 Ta 封装石英管中进行高温退火（1150 °C，24–50 小时）以获得相纯度。
• 使用 Cu Kα 辐射的 X 射线粉末衍射（XRD）表征晶体结构，确认为 ZrCuSiAs 型四边形结构。
• 采用标准四探针法测量电阻率，以检测超导转变和电子异常。
• 进行交流磁化率测量（10 Oe，333 Hz）以确认体超导性并检测 Tc 起始温度。
• 分析温度依赖的磁矩数据，以区分超导转变与铁磁转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Fe 基氧砷化物中，用其他稀土元素（如 Nd、Ce、Gd、Eu、Tm）取代 La 如何影响超导转变温度（Tc）？
• RQ2 F 掺杂在调节 ReO1-xFxFeAs 的电子相图中起什么作用，特别是在自旋密度波（SDW）不稳定性方面？
• RQ3 尽管成功合成了化合物，为何 Eu 和 Tm 基氧砷化物无法形成 ZrCuSiAs 型结构？
• RQ4 在 Ni 基氧砷化物（CeONiAs）中取代 Ce 是否能保持超导性，还是会导致竞争性磁序的出现？
• RQ5 CeO1-xFxRuAs 中观察到的低温转变具有何种性质，为何 Ru 基体系中不存在超导性？

主要发现

• 纯 NdOFeAs 在约 145 K 处表现出电阻异常，归因于费米面嵌套引起的自旋密度波（SDW）不稳定性。
• 在 NdOFeAs 中进行 F 掺杂可使 Tc 提升至约 50 K，最优超导性出现在 NdO1-xFxFeAs 中 x ≈ 0.12 时。
• GdOFeAs 在 F 掺杂后电阻异常向更低温度移动，并在 10 K 以下出现急剧下降，但未观察到零电阻，表明 Tc < 10 K。
• Eu 和 Tm 取代在相同合成条件下未能形成 ZrCuSiAs 型结构，表明重稀土氧砷化物存在结构不稳定性。
• CeO1-xFxNiAs 无超导性；相反，在约 10 K 以下出现电阻急剧下降和磁矩增强，表明存在铁磁有序而非超导性。
• LaO1-xFxRuAs 和 CeO1-xFxRuAs 在 4 K 以下表现出金属行为且无超导转变，表明 Ru 基体系具有非超导基态。