[论文解读] Tunable superconductivity in Fe-pnictide heterointerfaces by diffusion control

S. Haindl, S. A. Nikolaev+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2020

Iron-based superconductors research参考文献 43被引用 4

一句话总结

本研究通过在原子级平整界面处控制 Co²⁺ 阳离子和 O²⁻ 阴离子的扩散，实现了在铁砷化物异质结构（LnOFeAs/BaFe2As2，Ln = La, Sm）中可调谐的超导性。通过扩散工程实现界面掺杂，使 Co 掺杂变体中出现超导性，而过量的氧则引发一种随时间变化的金属-超导体转变，从而在铁基超导体中精确调控电子性质。

ABSTRACT

New Fe-pnictide heterostructures of the type LnOFeAs/BaFe$_2$As$_2$ (Ln = La, Sm) were grown by pulsed laser deposition (PLD) and investigated. Their common structural unit of [Fe$_2$As$_2$] planes allows perfect matching between the different Fe-pnictide unit cells and a coherent and atomically sharp interface. We test the stability of the heterointerface in the presence of Co$^{2+}$ (cations) as well as for excess O$^{2-}$ (anions) and discuss the consequences on the electronic properties: While undoped SmOFeAs/BaFe$_2$As$_2$ remains non-superconducting, a balanced Co-concentration after diffusion across the interface results in superconductivity within Co-substituted variants. In contrast, excess O$^{2-}$ causes the formation of an interfacial layer in SmOFeAs/BaFe$_2$As$_2$ with increased O$^{2-}$/As$^{3-}$ ratio and develops a metal-to-superconductor transition with time. The engineered heterointerfaces may provide a sophisticated pathway to bridge the gap between Fe-pnictides and Fe-chalcogenides.

研究动机与目标

• 开发一种通过控制掺杂剂在界面处扩散来调节铁砷化物异质结构中超导性的方法。
• 研究在阳离子（Co²⁺）和阴离子（O²⁻）掺杂条件下，铁砷化物异质界面的稳定性和电子响应。
• 探索工程化异质界面作为连接铁砷化物与铁硫属化物的桥梁，用于先进超导器件的潜力。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积（PLD）技术，外延生长具有原子级平整界面的 LnOFeAs/BaFe2As2（Ln = La, Sm）异质结构。
• 通过控制 Co²⁺ 阳离子在异质界面处的扩散，实现均匀掺杂并诱导超导性。
• 引入过量 O²⁻ 阴离子以研究其对界面化学和电子相演化的影响。
• 利用原位和非原位技术表征结构和电子性质，以监测相变过程和超导转变。
• 通过 [Fe2As2] 平面的对齐实现晶格匹配，促进相干异质界面的形成。
• 时间分辨测量追踪了在 O²⁻ 过量条件下界面层的演化及金属-超导体转变过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在铁砷化物异质界面处，Co²⁺ 的受控扩散如何影响超导性的出现？
• RQ2 过量 O²⁻ 在改变界面电子结构和诱导超导性方面起什么作用？
• RQ3 LnOFeAs 与 BaFe2As2 之间的界面能否支持稳定且可调谐的超导态？
• RQ4 在 O²⁻ 过量条件下，界面化学随时间如何演变，其对电子输运有何影响？
• RQ5 在多大程度上可对铁砷化物异质界面进行工程化设计，以模拟或桥接铁硫属化物的特性？

主要发现

• 未掺杂的 SmOFeAs/BaFe2As2 异质结构保持非超导性，表明本征掺杂不足以诱导超导性。
• Co²⁺ 在界面处的受控扩散导致形成 Co 替代变体，表现出超导性，证明了通过阳离子掺杂实现可调谐性的可行性。
• 过量 O²⁻ 诱导形成一种 O²⁻/As³⁻ 比例升高的界面层，且该层随时间演变。
• 该 O²⁻ 诱导的界面层经历一种随时间变化的金属-超导体转变，表明存在动态的电子相工程。
• 相干且原子级平整的界面使掺杂分布和电子性质得以精确控制。
• 结果表明，通过工程化设计可实现具有定制超导行为的铁砷化物异质结构，从而弥合与铁硫属化物体系之间的差距。