[论文解读] L4Fe2As2Te1-xO4-yFy (L = Pr, Sm, Gd): a layered oxypnictide superconductor with Tc up to 45 K

S. Katrych, A. Pisoni+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2013

Iron-based superconductors research被引用 7

一句话总结

本研究报道了通过立方顶砧高压技术在高压条件下生长的新型层状氧砷化铁超导体L4Fe2As2Te1−xO4−yFy（L = Pr, Sm, Gd）的合成与表征。氟掺杂后，该材料的临界转变温度（Tc）最高可达45 K，磁扭矩测量显示伦敦穿透深度具有显著各向异性（~31）。

ABSTRACT

The synthesis, structural and physical properties of iron lanthanide oxypnictide superconductors, L4Fe2As2Te1-xO4 (L = Pr, Sm, Gd), with transition temperature at ~ 25 K are reported. Single crystals have been grown at high pressure using cubic anvil technique. The crystal structure consists of layers of L2O2 tetrahedra separated by alternating layers of chains of Te and of Fe2As2 tetrahedra: -L2O2-Te-L2O2-Fe2As2-L2O2-Te-L2O2- (space group: I4/mmm, a ~ 4.0, c ~ 29.6 Å). Substitution of oxygen by fluorine increases the critical temperature, e.g. in Gd4Fe2As2Te1-xOyF4-y up to 45 K. Magnetic torque measurements reveal an anisotropy of the penetration depths of ~31.

研究动机与目标

• 通过化学替代探索具有更高Tc的新型铁基氧砷化铁超导体。
• 研究在高压条件下L4Fe2As2Te1−xO4−yFy（L = Pr, Sm, Gd）的结构与超导性质。
• 理解氟掺杂在提高Tc和调节电子各向异性中的作用。
• 确定新超导相的晶体结构与层状排列顺序。

提出的方法

• 采用立方顶砧高压技术合成L4Fe2As2Te1−xO4−yFy的单晶。
• 利用X射线衍射确定晶体结构，结果表明其属于I4/mmm空间群，具有L2O2、Te和Fe2As2层交替排列的结构。
• 系统调节氟对氧的取代程度，以调控超导转变温度（Tc）。
• 采用磁扭矩测量探测伦敦穿透深度的各向异性。
• 将结构与超导性质相关联，以确定实现最大Tc的最佳掺杂水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 新型L4Fe2As2Te1−xO4−yFy氧砷化铁超导体的晶体结构是什么？
• RQ2 氟掺杂如何影响该体系中的超导转变温度（Tc）？
• RQ3 该层状材料中超导穿透深度的各向异性程度如何？
• RQ4 高压合成能否获得高质量的该新型氧砷化铁相单晶？
• RQ5 在Tc和结构稳定性方面，L = Pr, Sm, Gd三种变体的物理性质有何差异？

主要发现

• L4Fe2As2Te1−xO4−yFy（L = Pr, Sm, Gd）的晶体结构由L2O2、Te和Fe2As2层交替排列而成，具有四角对称的I4/mmm结构，晶格参数a ~ 4.0 Å，c ~ 29.6 Å。
• 未掺杂的L4Fe2As2Te1−xO4化合物的Tc约为25 K。
• 在Gd4Fe2As2Te1−xOyF4−y中进行氟掺杂可使Tc提高至45 K，表明超导性显著增强。
• 磁扭矩测量显示伦敦穿透深度的各向异性约为31，表明具有强烈的各向异性超导行为。
• 通过立方顶砧法实现的高压单晶生长成功制备了相纯且高质量的样品，适用于详细的物理表征。
• 超导相的稳定性归因于Fe2As2与Te层被L2O2块层隔开的层状结构，氟取代增强了电子掺杂并提高了Tc。