Anwendungs-orientierte Herstellung FeSe-basierter Supraleiterschichten und Untersuchung ihrer kritischen Parameter
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Projekts war die Untersuchung grundlegender und zugleich anwendungsrelevanter Eigenschaften von Chalkogenid-Fe-basierten Supraleitern, die als Dünnschichten mit zwei Kristallstrukturen synthetisiert und untersucht und die zugrundeliegenden Mechanismen der Supraleitung aufgeklärt werden. Die FeSe-Supraleiter gehören zu den Fe-basierten Supraleitern (FBS), die 2006/08 entdeckt wurden und aufgrund ihrer hohen Übergangstemperaturen von bis zu 55 K und sehr hohen oberen kritischen Magnetfeldern von weit über 50 T, die sie für Anwendungen in hohen Magnetfeldern vielversprechend machen, auf großes wissenschaftliches Interesse stießen. Die drei wichtigsten Klassen von FBS mit dem höchsten Anwendungspotential und den meisten Untersuchungen sind die sogenannten 11 [d.h. Fe(Se,Te)], unterschiedlich dotierten 122 [meist BaFe2As2] und 1111 [LnFeAs(O,X), Ln-Lanthanoid, X=H,F] Strukturen. Das 2014 von Lu et al. entdeckte (Li,Fe)OHFeSe kann man auf zwei Arten betrachten: Es ähnelt der 1111-Kristallstruktur, wenn die Hydroxylgruppe als Einheit betrachtet wird, und kann daher als Chalkogenid-Äquivalent der 1111-Pniktid-Verbindungen betrachtet werden. Andererseits kann es als FeSe mit einer großen Separationsschicht (Li,Fe)OH, d. h. einem erweiterten c-Achsen-Gitterparameter, betrachtet werden. Es ist daher ein Bindeglied zwischen Bulk- Proben der einfachsten FBS-Struktur FeSe mit Tc ~ 10 K und einzelligen Filmen von FeSe auf SrTiO3 mit einer supraleitenden Bandlücke, die sich oberhalb von 65 K öffnet. Mit letzterem teilt (Li,Fe)OHFeSe eine ähnliche elektronische Struktur (Elektronentaschen in der Nähe der Brillouin-Zonenecken), und daher ähnliche elektronische Eigenschaften, nämlich hochgradig 2D-, elektronendominierte Mehrbandsupraleitung mit starken 2D-Spinfluktuationen. (Li,Fe)OHFeSe-Filme werden durch matrixunterstützte hydrothermale Epitaxie (MHE) hergestellt und zeigen einkristalline Eigenschaften. FeSe und seine Te-dotierte Version Fe(Se,Te) mit höherem Tc (~18 K) haben die einfachste Kristallstruktur aller FBS. Dennoch ist es nicht so einfach, dieses System zu verstehen und Proben von hoher Qualität zu synthetisieren, wie man aufgrund der einfachen Struktur erwarten könnte. Dies liegt vor allem an der starken Abhängigkeit der supraleitenden Eigenschaften vom Dehnungszustand (d. h. den Gitterkonstanten), der Stöchiometrie Se-Te und einem möglichen Eisenüberschuss. Was die Se-Te-Stöchiometrie betrifft, so bietet das Dünnschichtwachstum die Möglichkeit, Proben mit geringem Te-Gehalt herzustellen, die als Einkristalle nicht zugänglich sind, jedoch die höchsten Tc-Werte aufweisen. Das Projektziel war, verschiedene Abscheide- und Dotierungsmethoden für Schichten der beiden Klassen zu untersuchen: Mn-Dotierung in FeSe und Fe(Se,Te) sowie Te-Dotierung von (Li,Fe)OHFeSe. Diese Dotierungsstudien sollten für beide Arten von supraleitenden Filmen auf FeSe-Basis mit weiteren Dotierstoffen, wie Mg, Co, Ni, Cu und Zn, erweitert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Magnetic-Field-Induced Spin Nematicity in FeSe1 – x S x and FeSe1 – y Te y Superconductor Systems. Chinese Physics Letters, 38(8), 087401.
Liu, Shaobo; Yuan, Jie; Ma, Sheng; Lu, Zouyouwei; Zhang, Yuhang; Ma, Mingwei; Zhang, Hua; Jin, Kui; Yu, Li; Zhou, Fang; Dong, Xiaoli & Zhao, Zhongxian
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Unusual Normal and Superconducting State Properties Observed in Hydrothermal Fe1-δ Se Flakes. Chinese Physics Letters, 38(5), 057401.
Liu, Shaobo; Ma, Sheng; Wang, Zhaosheng; Hu, Wei; Li, Zian; Liang, Qimei; Wang, Hong; Zhang, Yuhang; Lu, Zouyouwei; Yuan, Jie; Jin, Kui; Li, Jian-Qi; Pi, Li; Yu, Li; Zhou, Fang; Dong, Xiaoli & Zhao, Zhongxian
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A disorder-sensitive emergent vortex phase identified in high-T c superconductor (Li,Fe)OHFeSe. Superconductor Science and Technology, 35(6), 064007.
Li, Dong; Shen, Peipei; Tian, Jinpeng; He, Ge; Ni, Shunli; Wang, Zhaosheng; Xi, Chuanying; Pi, Li; Zhang, Hua; Yuan, Jie; Jin, Kui; Talantsev, Evgeny F.; Yu, Li; Zhou, Fang; Hänisch, Jens; Dong, Xiaoli & Zhao, Zhongxian
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Quasi-Two-Dimensional Nature of High-T c Superconductivity in Iron-Based (Li,Fe)OHFeSe. Chinese Physics Letters, 39(12), 127402.
Li, Dong; Liu, Yue; Lu, Zouyouwei; Li, Peiling; Zhang, Yuhang; Ma, Sheng; Liu, Jiali; Lu, Jihu; Zhang, Hua; Liu, Guangtong; Zhou, Fang; Dong, Xiaoli & Zhao, Zhongxian
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Recent Developments in Fe- Based Superconductors – Towards Understanding Their Vortex Matter and Possible Applications, invited talk, MRS Spring Meeting, 24.05.22, online
J. Hänisch
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Effect of carbon doping on magnetic flux pinning and superconducting performance in FeSe0.5Te0.5 single crystals. Superconductor Science and Technology, 36(2), 025008.
Zhang, J.; Hänisch, Jens; Yang, X. S.; Zhao, K. & Zhao, Y.
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Hydrothermally Obtaining Superconductor Single Crystal of FeSe0.2Te0.8 without Interstitial Fe. Chinese Physics Letters, 40(6), 067402.
Ma, Sheng; Yan, Shanshan; Liu, Jiali; Wang, Yizhe; Zhang, Yuhang; Zhao, Zhen; Lu, Zouyouwei; Li, Dong; Liu, Yue; Lu, Jihu; Zhang, Hua; Yang, Haitao; Zhou, Fang; Li, Zian; Dong, Xiaoli & Zhao, Zhongxian
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Recent progress on epitaxial growth of Fe-based superconducting thin films. Superconductor Science and Technology, 36(6), 063001.
Iida, Kazumasa; Hänisch, Jens; Hata, Satoshi & Yamamoto, Akiyasu
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Vortex matter, anisotropy, and electrical transport in (Li,Fe)OHFeSe thin films, invited talk, MRM2023, Kyoto, Japan, 11.-16.12.2023
J. Hänisch, S. Tokatldidis et al.
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Critical current density in advanced superconductors. Progress in Materials Science, 155, 101492.
Ruiz, H.S.; Hänisch, J.; Polichetti, M.; Galluzzi, A.; Gozzelino, L.; Torsello, D.; Milošević-Govedarović, S.; Grbović-Novaković, J.; Dobrovolskiy, O.V.; Lang, W.; Grimaldi, G.; Crisan, A.; Badica, P.; Ionescu, A.M.; Cayado, P.; Willa, R.; Barbiellini, B.; Eley, S. & Badía–Majós, A.
