[论文解读] Thorium-doping induced superconductivity in Gd1-xThxOFeAs

Cao Wang, Linjun Li+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2008

Iron-based superconductors research被引用 1

一句话总结

本研究证明，在GdFeAsO中用Th⁴⁺取代Gd³⁺的钍掺杂可诱导超导性，其临界温度（Tc）达到创纪录的56 K，克服了以往类似化合物中氟掺杂因晶格失配而受阻的问题。较大的Th⁴⁺离子缓解了结构应力，通过优化铁砷层环境，实现了高Tc超导性。

ABSTRACT

Following the discovery of superconductivity in an iron-based arsenide LaO1-xFxFeAs with a superconducting transition temperature (Tc) of 26 K[1], Tc was pushed up surprisingly to above 40 K by either applying pressure[2] or replacing La with Sm[3], Ce[4], Nd[5] and Pr[6]. The maximum Tc has climbed to 55 K, observed in SmO1-xFxFeAs[7, 8] and SmFeAsO1-x[9]. The value of Tc was found to increase with decreasing lattice parameters in LnFeAsO1-xFx (Ln stands for the lanthanide elements) at an apparently optimal doping level. However, the F- doping in GdFeAsO is particularly difficult[10,11] due to the lattice mismatch between the Gd2O2 layers and Fe2As2 layers. Here we report observation of superconductivity with Tc as high as 56 K by the Th4+ substitution for Gd3+ in GdFeAsO. The incorporation of relatively large Th4+ ions relaxes the lattice mismatch, hence induces the high temperature superconductivity.

研究动机与目标

• 克服GdFeAsO中因晶格失配导致氟掺杂效率低下并抑制Tc的问题。
• 探索超越氟掺杂的替代掺杂策略，以在铁基氧氮化物中实现更高的超导转变温度（Tc）。
• 研究四价钍（Th⁴⁺）取代三价钆（Gd³⁺）是否能诱导高Tc超导性。
• 确定Th⁴⁺掺杂对铁砷层及整体超导性能的结构与电子效应。

提出的方法

• 通过在GdFeAsO中用Th⁴⁺取代Gd³⁺，以调节晶体结构并减少Gd₂O₂与Fe₂As₂层之间的晶格应变。
• 采用固态反应法合成不同钍掺杂水平的Gd₁₋ₓThₓFeAsO样品。
• 通过测量电阻率和磁化率，识别超导转变并确认Tc值。
• 通过晶格参数变化分析结构弛豫，将结构变化与Tc的提升相关联。
• 将Th⁴⁺掺杂的效果与以往在相关稀土氧氮化物中氟掺杂策略的效果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 Th⁴⁺掺杂是否能有效缓解GdFeAsO中的晶格失配，从而实现高Tc超导性？
• RQ2 在Gd₁₋ₓThₓFeAsO中可实现的最高Tc是多少？与氟掺杂类似物相比如何？
• RQ3 Th⁴⁺的离子半径如何影响GdFeAsO体系中的结构弛豫及超导性能？
• RQ4 Th⁴⁺取代是否使Tc高于以往报道的类似铁基氧氮化物中的结果？

主要发现

• 在GdFeAsO中进行钍掺杂可诱导超导性，其Tc最高可达56 K，显著高于未掺杂或氟掺杂的GdFeAsO。
• 引入较大的Th⁴⁺离子有效降低了Gd₂O₂与Fe₂As₂层之间的晶格应变，从而实现了有利于高Tc超导性的结构稳定性。
• 观测到的56 K Tc超过了此前氟掺杂GdFeAsO的记录，证明Th⁴⁺取代是一种更优的掺杂策略。
• 结果证实，通过离子尺寸工程优化晶格参数，是实现铁基超导体更高Tc的可行途径。