Nat. Mater. 表面电子掺杂铁基超导材料性能大大提高

lyh_wv 8年前 (2016-08-18) 4566浏览

引语：

当往反铁磁性基体化合物中掺杂入额外的载流子时，科学家们首次在铁基超导体中观察到了非常规的超导性。当嵌套条件满足电子和空穴口袋分别位于布里渊区的中心和角落，则会获得最大的临界转变温度Tc。所以一般认为费米面嵌套的不稳定性是超导电性的一个重要成分。而铁基化合物AFe2Se2（A碱金属）中37K的临界转变温度（Tc），却发现了一个大不相同的费米面拓扑结构：无空穴口袋在区域中心，只有电子口袋在区域的角落，不存在嵌套条件。这些化合物的整体电子结构类似于铁基电子掺杂。在SrTiO3上的单层FeSe超导转变温度提高到了100 K，这表明更高的Tc可以通过电子掺杂实现，它迫使费米面（FS）的拓扑结构只留下电子口袋。然而这样的观察仅限于硫族化合物。

成果简介：

在本文中，美国伯克利劳伦斯国家实验室S.-K. Mo及韩国基础科学研究所/首尔大学的C. Kim 和Y. K. Kim等人采用角分辨光电子能谱表征，揭示了在最优掺杂的Ba(Fe1-xCox)2As2中，随着掺杂水平的变化，Tc从24K单调增加到41.5 K。通过垂直向下的带移，掺杂改变了硫族化合物的整个费米面拓扑结构。这项研究表明，高浓度电子掺杂及其在费米面拓扑结构带来的变化有利于超导电性，这项发现不仅对于硫族铁化合物，而且对于氮族铁化合物也适用。

图文导读:

图1、原始的（OP）及表面电子掺杂优化的(OPD)Ba(Fe1-xCox)2As2电子结构。a，沿着Γ-Μ方向，OP（左边）和OPD（右边）的角分辨光电子能谱强度。白色实线在Μ点指示能量分布曲线，揭示向下的带移。虚线分别标记OP（黑色）和OPD（黄色）的带色散。OP带色散覆盖了14meV下移的OPD。
b，OP（左边）和OPD（右边）费米能级处的角分辨光电子能谱强度。由于在OP处的Γ和Μ口袋尺寸相似，所以OPD的费米面显示出Μ点的电子口袋大于Γ点的空穴口袋。

图2、表面掺杂和随温度变化的超导体带隙。a-d，在Μ附近电子口袋的kF点处测量温度的对称角分辨光电子光谱。其中，（a）为原始的（OP），（b）为掺杂0.33ml钾，（c）为掺杂0.5ml钾，（d）为掺杂0.67ml钾。覆加的蓝线和红线代表采用达因函数拟合OP和OPD的结果。（e）带隙随着掺杂浓度的变化（左轴）和在10K下，电子带底位置相对于原始样品的移动。f-h分别为 0.33ml（f）、0.5ml（g）、0.67ml（h）钾掺杂后的带隙随温度的变化。原始未掺杂(OP)的带隙随温度的变化是h图中的蓝色线。在f-h中的黑色虚线代表通过拟合每个数据集绘制BCS谱函数。

图3、表面掺杂后，临界转变温度Tc的提高和费米面拓扑结构的改变。在本征Ba(Fe1-xCox)2As2相图中，表面掺杂的Ba(Fe1-xCox)2As2的Tc以红色方形标记。OP、OPD、OV的费米面拓扑结构见插图。在右上角的插图描绘了电荷敏感性。蓝色虚线和红色虚线分别突出本征样品和表面掺杂样品的Tc变化趋势。