[论文解读] Matrix-assisted fabrication and exotic charge mobility of (Li,Fe)OHFeSe superconductor films

Yulong Huang, ZhongPei Feng+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2017

Iron-based superconductors research被引用 10

一句话总结

本研究提出一种基质辅助水热外延生长方法，用于制备超导转变温度范围广泛（4–42 K）的（Li,Fe）OHFeSe超导薄膜，实现了本征电荷输运测量。结果揭示了电子与空穴载流子共存，且具有非费米液体散射行为，接近Tc时迁移率发散，高Tc样品中电子迁移率增强，为铁基超导机制提供了关键见解。

ABSTRACT

Superconducting (Li1-xFex)OHFe1-ySe films are attractive for both the basic research and practical application. However, the conventional vapor deposition techniques are not applicable in synthesizing the films of such a complex system. So no intrinsic charge transport measurements on the films are available so far to reveal the nature of charge carriers, which is fundamental to understanding the iron-based superconductivity mechanism. Herein we report a soft chemical film technique (matrix-assisted hydrothermal epitaxial growth), by which we have succeeded in growing a series of (Li1-xFex)OHFe1-ySe films covering the whole superconducting regime, with the superconducting transition temperature (Tc) from 4 K up to 42 K. This film technique opens up a new way for fabricating other complex functional materials as well. Furthermore, our systematic transport investigation on the film samples indicates that both the electron and hole carriers contribute to the charge transport, with the scattering rates deviating from the Fermi liquid. We find that the superconductivity occurs upon the electron and hole mobility becoming divergent. And in the high Tc samples, the electron carriers are found much more mobile than the holes, a feature distinct from the low Tc samples. Hence, our transport results provide key insights into the underlying physics for iron-based high-Tc superconductivity.

研究动机与目标

• 开发一种新型制备方法，用于制备传统气相外延法难以获得的复杂（Li,Fe）OHFeSe超导薄膜。
• 在这些薄膜上实现本征电荷输运测量，以探究铁基超导体中载流子的性质。
• 研究电子与空穴载流子在电荷输运中的作用及其与超导转变温度（Tc）的关系。
• 探讨偏离费米液体行为的现象以及接近Tc时载流子迁移率发散的机制。
• 通过分析载流子迁移率与散射率，理解（Li,Fe）OHFeSe中高温超导的微观起源。

提出的方法

• 开发了一种基质辅助水热外延生长技术，用于在合适基底上合成（Li1-xFex)OHFe1-ySe薄膜。
• 该方法可实现整个超导区域的生长，Tc范围从4 K至42 K。
• 对薄膜样品进行了系统的电输运测量，以提取载流子迁移率与散射率。
• 对输运数据进行分析，以识别电子与空穴对导电的贡献，并评估其与费米液体理论的偏离程度。
• 系统研究了不同Tc值下载流子迁移率发散与超导转变 onset 的关系。
• 对低Tc与高Tc样品中的电子与空穴迁移率进行了对比分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 基质辅助水热方法能否成功制备覆盖整个超导相图的（Li,Fe）OHFeSe薄膜？
• RQ2 （Li,Fe）OHFeSe薄膜中载流子的性质是电子主导还是空穴主导？
• RQ3 这些薄膜中载流子的散射率与费米液体行为相比有何偏离？
• RQ4 电子与空穴迁移率的发散是否与超导的 onset 同步发生？
• RQ5 为何在高Tc（Li,Fe）OHFeSe薄膜中电子载流子的迁移率显著高于空穴载流子？

主要发现

• 基质辅助水热外延生长方法成功制备了Tc从4 K至42 K的（Li,Fe）OHFeSe薄膜，覆盖了整个超导区域。
• 电子与空穴载流子均对电荷输运有贡献，其散射率与费米液体理论预测存在偏离。
• 当电子与空穴载流子迁移率同时发散时，超导性开始出现，表明载流子局域化/非局域化在其中起关键作用。
• 在高Tc样品中，电子载流子的迁移率显著高于空穴载流子，这一特征在低Tc样品中并不存在。
• 观测到的非费米液体行为与迁移率发散现象表明存在强电子关联与非常规配对机制。
• 结果提供了直接实验证据，将奇异电荷迁移率与铁基高温超导机制联系起来。