[论文解读] Superconductivity in hole-doped (Sr$_{1-x}$K$_x$)Fe$_2$As$_2$

G. F. Chen, Z. Li+7 more|ArXiv.org|Jun 6, 2008

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究通过固相反应法合成空穴掺杂的(Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂，发现母相化合物在约210 K处出现自旋密度波（SDW）转变，该转变被K掺杂抑制，从而诱导体超导，Tc ≈ 38 K。霍尔测量证实存在空穴型载流子，载流子密度约为电子掺杂LaO₀.₉F₀.₁FeAs的三倍，表明该铁基超导体系中存在强烈的空穴掺杂效应。

ABSTRACT

A series of layered (Sr$_{1-x}$K$_x$)Fe$_2$As$_2$ compounds with nominal x=0 to 0.40 are synthesized by solid state reaction method. Similar to other parent compounds of iron-based pnictide superconductors, the pure SrFe$_2$As$_2$ shows a strong resistivity anomaly near 210 K, which was ascribed to the spin-density-wave instability. The anomaly temperature is much higher than those observed in LaOFeAs and BaFe$_2$As$_2$, the two prototype parent compounds with ZrCuSiAs- and ThCr$_2$Si$_2$-type structures. K-doping strongly suppresses this anomaly and induces superconductivity. Like in the case of K-doped BaFe$_2$As$_2$, sharp superconducting transitions at T$_c\sim$38 K was observed. We performed the Hall coefficient measurement, and confirmed that the dominant carriers are hole-type. The carrier density is enhanced by a factor of 3 in comparison to F-doped LaOFeAs superconductor.

研究动机与目标

• 研究空穴掺杂的(Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂这一新型铁基超导体系中的电子相变。
• 确定母相化合物是否表现出类似于其他铁砷化物的自旋密度波（SDW）不稳定性。
• 通过霍尔系数测量确认K掺杂样品中的载流子类型和密度。
• 将(Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂的超导与磁性性质与BaFe₂As₂和LaOFeAs体系的性质进行比较。

提出的方法

• 使用SrAs、KAs和Fe₂As作为前驱体，通过固相反应法合成x = 0至0.40的(Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂。
• 在密封石英管中于氩气气氛下退火，以确保相纯度和化学计量比。
• 采用Cu Kα辐射进行粉末X射线衍射（XRD），以确认晶体结构和相纯度。
• 采用四探针电阻率测量探测超导转变与SDW异常。
• 在正常态下进行五探针霍尔系数测量，以确定载流子类型与密度。
• 采用10 Oe调制的交流磁化率测量，以确认体超导性。

实验结果

研究问题

• RQ1 母相化合物SrFe₂As₂是否表现出自旋密度波（SDW）转变？转变温度是多少？
• RQ2 K掺杂如何抑制(Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂中的SDW转变并诱导超导？
• RQ3 K掺杂的(Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂中载流子的性质是什么？其密度如何？
• RQ4 与电子掺杂的LaO₀.₉F₀.₁FeAs相比，(Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂中的载流子密度有何差异？
• RQ5 通过磁性测量确认，K掺杂的(Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂中的超导转变是否为体超导？

主要发现

• 母相化合物SrFe₂As₂在约210 K处表现出强烈的电阻率异常，归因于自旋密度波（SDW）不稳定性。
• K掺杂抑制了SDW转变，并在(Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂中诱导出超导，Tc ≈ 38 K（x = 0.2和0.4时）。
• 霍尔系数测量证实K掺杂超导样品中存在空穴型载流子，在30–200 K温度范围内霍尔系数为正。
• 在200 K时估算的载流子密度为5.4 × 10²¹ cm⁻³，比电子掺杂的LaO₀.₉F₀.₁FeAs高出三倍以上。
• 再退火处理使Tc从38 K降低至20 K，表明样品的非均匀性影响了超导性质。
• 交流磁化率测量证实再退火后的Sr₀.₆K₀.₄Fe₂As₂样品具有体超导性。