博文
研究快讯 | 通过氢化钙退火方法连续掺杂Bi2212至电子掺杂超导体
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Received 19 May 2022;
online 20 June 2022
EXPRESS LETTER
Continuously Doping Bi2Sr2CaCu2O8+δ into Electron-Doped Superconductor by CaH2 Annealing Method
Jin Zhao(赵金), Yu-Lin Gan(甘渝林), Guang Yang(杨光), Yi-Gui Zhong(钟益桂), Cen-Yao Tang(唐岑瑶), Fa-Zhi Yang(杨发枝), Giao Ngoc Phan, Qiang-Tao Sui(随强涛), Zhong Liu(刘忠), Gang Li(李岗), Xiang-Gang Qiu(邱祥冈), Qing-Hua Zhang(张庆华), Jie Shen(沈洁), Tian Qian(钱天), Li Lu(吕力), Lei Yan(颜雷), Gen-Da Gu(顾根大), and Hong Ding(丁洪)
Chin. Phys. Lett. 2022 39 (7): 077403
DOI: 10.1088/0256-307X/39/7/077403
文章亮点
首次将CaH2退火方法用于铜基超导体Bi2Sr2CaCu2O8+δ中，通过控制退火时间大范围连续调控掺杂量，实现从空穴掺杂到电子掺杂的转变，甚至出现了电子掺杂的超导相。
通过CaH2退火方法得到的Bi2212输运实验结果及相图示意图。(a) 随退火时间增加，电阻先增大后减小，表明体系从空穴超导态先变为绝缘态，后进入新的金属态；(b) 随退火时间增加，空穴载流子浓度减弱，电子载流子浓度增强；(c) 随退火时间增加，Bi2212体系从空穴掺杂超导相进入空穴绝缘相，再进入电子掺杂绝缘相，甚至进入电子掺杂超导相。
通过CaH2退火方法连续掺杂Bi2Sr2CaCu2O8+δ至电子掺杂超导体
研究背景
自1986年空穴掺杂的铜氧化物超导体发现以来，电子-空穴掺杂对称性问题被广泛讨论但至今仍悬而未决。然而这两种掺杂体系的晶体结构往往具有显著差异，这无疑增加了问题的复杂性。因此，在同一晶体结构中实现电子、空穴双向掺杂是解决电子-空穴掺杂对称性问题的重要途径。截至目前，只有极少数体系可以实现双向掺杂而且传统的掺杂方法可调节范围有限。因此，寻找高效、大范围、可双向掺杂的样品掺杂方法已成为铜氧化物超导领域的研究重点。
内容简介
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室丁洪研究员带领的团队与所内吕力研究员等，以及美国布鲁克海文国家实验室顾根大研究员合作，通过CaH2退火方法成功将最佳空穴掺杂的Bi2212样品首次调控到电子掺杂区，甚至出现了电子掺杂的超导相。该方法的灵感来自于镍基超导的发现，将Bi2212单晶样品与CaH2粉末非直接接触地进行真空封管并放入管式炉加热，再通过控制退火时间可在基本保持原有晶体结构的情况下连续大范围地改变其氧含量，实现从空穴超导相经过母体绝缘相到电子掺杂相乃至电子超导相的跨越。通过STEM、RT、Hall实验分别观察到间隙氧的消失、超导–绝缘–超导的转变以及载流子类型的变化。
研究意义和重要性
总之，该工作首次在Bi2212体系中实现电子、空穴双向掺杂，甚至发现了电子掺杂超导区，摆脱了传统掺杂方法只能在空穴掺杂区域内小范围调节的困境。该方法为研究铜氧化物超导领域中的一些包括电子-空穴掺杂对称性、赝能隙、超导机理等在内的基础问题打开了新局面。
该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院、怀柔综合极端条件装置等的支持。
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