铁基超导体的多重元素替代：能带填充、电子关联及无序效应对Tc的影响

Element substitution is used as one of the most important probe in the study of superconductivity and strongly correlated electron systems. Generally, the substitution effects can be divided into two levels: (1) At the atomic level, it is manifested as the change in crystal structure and the increase in disorder. (2) At the electronic level, it is expressed as the change of the carrier concentration, the variation of the band structure as well as the electronic localization induced by the disorder. When a given atom in the unit cell is partially substituted, all these effects will be introduced into the system simultaneously. It is thus extremely difficult, and indeed in most cases quite impossible for a single-donor element substitution experiment to distinguish between all these effects. In this project, we propose to control the crystal structure, carrier filling, as well as the doping induced disorder of the iron-based superconductors independently via studying the annealing effects together with the co-substitution effects of anisovalent and isovalent elements in the insulating and the conducting layers respectively. In this way, the relationship between superconducting Tc and the above mentioned three type of substitution effects will be clarified. Moreover, efforts will be make to explore the possibility of further enhance the superconducting Tc of iron-based superconductors.

元素替代长期以来都是研究超导电性和其他强关联电子系统的重要实验方法。一般情况下，元素替代对物性的影响可以分为两个层面：其一为原子层面，表现为晶体结构的变化和替代缺陷（无序）；其二为电子结构层面，表现为载流子浓度的变化，能带的变化以及与无序相关的电子局域化。对于单一施主的元素替代实验，由于上述多种效应很可能同时对材料的物理性质产生影响，致使难以区分它们在物性演变中所起的作用。本项目的主要目标是在几种主要类型的铁基超导体中，通过综合运用Fe-As层外载流子型元素替代、Fe-As层内同价元素替代以及真空退火等实验方法，相对独立的控制晶体结构的变化、载流子填充水平以及导电层的无序程度，同时研究物理性质和这三者之间的关联，并探索进一步提高铁基超导体转变温度的可能性。

铁基超导体自2008年发现以来，该领域首篇论文已经被引用超过5000次。目前铁基超导体相关论文超过一万篇，成为凝聚态物理领域最热门的研究课题之一。元素替代作为凝聚态物理最为基本的实验方法之一，在新型铁基超导体的探索中发挥了重要作用。本课题立项的初始目标是通过载流子型掺杂和同价元素替代同时进行的方式，相对独立的调控载流子填充和晶体结构变化，并研究其对物性演变的影响。在项目执行过程中，我们发现如果上述两种类型的掺杂分别在载流子库层和导电层同时进行，则很容易导致晶体结构的不稳定，且出现相分离的现象。基于上述发现，我们及时调整了研究策略，在保持导电层不变的情况下将“1111”型铁基超导体载流子库层的Ln3+, O2-两种离子同时替换成Th4+和N3-两种离子，从而发现了一种新型的砷氮化合物ThFeAsN。随后的物性测量和元素替代实验显示该化合物和已知的“1111”型铁砷化合物物性有很大区别：其一，在未对其进行元素替代的情况下，ThFeAsN就表现出30 K的超导电性，同时“1111”型铁基超导体母体中常见的反铁磁自旋密度波基态在这里不存在。其二，该材料对电子型氧掺杂容忍极限非常高，常压合成条件下就可以实现超过50%的氧掺杂比例。此外，我们还发现随着电子掺杂水平的提高，体系相图中出现了两个互不相连的超导区域。初步的磁阻测量显示，两个超导区域的最佳掺杂样品的上临界场明显小于其他的“1111”型铁基超导体。目前，针对含有ThN层的“1111”型化合物ThMXN（M表示过渡金属，X表示砷或磷）的相关研究正在全面铺开。因此，ThFeAsN超导体的发现，为铁基超导体家族增添了一个特殊的研究样本，同时为下一步的功能材料探索开辟了新的方向。