硅掺杂GdBaSrCu3-xSioxO7-δ（x = 0–0.10）中超导性的抑制：实验表征与第一性原理分析

《Cryogenics》：Suppression of superconductivity in Si doped GdBaSrCu 3- xSi xO 7- δ ( x = 0–0.10): experimental characterization and first-principles analysis

　　

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  本研究采用固态反应法成功合成了Si掺杂的GdBaSrCu_3-xSi_xO_7-δ高温超导体，并保持了单相四方结构。
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  超导转变温度随Si浓度的增加而逐渐降低，表明Si取代对超导性具有有害影响。
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  电阻率和交流磁化率测量结果一致表明，在较高Si掺杂水平下超导性受到抑制并最终消失。
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  密度泛函理论计算进一步揭示，Si的掺入通过增加费米能级附近的Cu(3d)电子密度来改变电子结构。
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  Cu(3d)电子相互作用的增强以及德拜温度的升高被认为是导致Si掺杂GdBaSrCu_3-xSi_xO_7-δ体系中超导性能退化的原因。

引言

自高温超导体被发现以来，其独特的超导机制和潜在的应用价值引起了广泛关注。然而，尽管经过数十年的研究，高温超导体的微观机制仍未得到完全阐明，这极大地限制了其实际应用。探索影响高温超导体超导性的关键因素，对于理解其微观机制和优化其性能至关重要。

自高温超导体被发现以来以及近年来，元素掺杂作为一种调节材料物理性质的有效手段，已被广泛应用于高温超导体的研究中[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]。在众多针对RE123基超导体研究的各种元素取代中，Si掺杂尽管有可能显著改变Cu-O网络的电子环境，但受到相对较少的关注。与具有部分填充的d轨道并直接扰动与超导性相关的电子态的Zn或Ni等过渡金属掺杂剂不同，Si⁴⁺是一种无占据d轨道的非过渡元素。因此，Si的掺入预计通过间接改变局部晶体化学、电荷分布和Cu-O键合环境来影响超导性能，而不是直接参与费米能级附近的电子态。这些变化可能改变载流子浓度、局部结构畸变和电子结构，而这些因素与铜氧化物材料中的超导行为密切相关[8]。

尽管在YBa₂Cu₃O?_?-δ及相关铜氧化物超导体中杂质取代已被广泛研究，但Si取代对GdBaSrCu₃O?_?-δ的影响仍有待探索，尤其是从实验表征和第一性原理计算的结合角度来看。此外，先前的研究主要集中在结构表征和超导转变温度上，而Si引起的电子结构变化与观察到的超导性抑制之间的关系尚未得到系统研究。因此，需要将实验测量与密度泛函理论（DFT）计算相结合进行综合研究，以深入了解Si掺入相关的固有电子变化，并建立计算所得电子性质与实验观察到的超导行为之间的关联。

本文的目的是合成Si掺杂的铜氧化物样品GdBaSrCu_3-xSi_xO_7-δ，并系统地研究Si掺杂对其超导性的影响。通过X射线衍射、扫描电子显微镜和输运性质测量相结合密度泛函理论计算的方法，研究了Si掺杂对高温超导体的结构、形貌和超导性的影响。

本研究的成果将有助于深入理解高温超导体的微观机制，并为高性能高温超导材料的开发提供新的思路和方法。

章节摘要

实验与第一性原理分析

通过混合适当量的超高纯度（≥99.99%）Gd₂O₃、BaCO₃、SrCO₃、CuO和SiO₂粉末，制备了GdBaSrCu_3-xSi_xO_7-δ多晶样品（x = 0, 0.01, 0.04, 0.07和0.10）。将每种组分的所有称量和制备的化学试剂（均为粉末形式）混合并研磨约一小时，以确保混合物充分混合。将研磨好的粉末放入石英坩埚中，在950 °C的炉中烧结24小时。然后，将混合物重新研磨一小时以

结果与讨论

图1展示了x = 0.01、0.04、0.07和0.10的GdBaSrCu_3-xSi_xO_7-δ样品的SEM显微图像。所有样品均表现出典型的多晶形貌，由不规则形状的晶粒组成，晶粒间可见孔隙和空隙均匀分布于微观结构中。随着Si含量的增加，晶粒形貌、晶粒连通性或晶粒尺寸分布均未观察到显著变化。晶粒保持紧密堆积，所有样品的整体微观结构外观相似

结论

本研究通过实验表征与第一性原理计算的结合，系统研究了Si取代对GdBaSrCu_3-xSi_xO_7-δ的结构、超导性和电子性质的影响。XRD和SEM分析表明，Si取代保持了单相四方结构和多晶形貌，未检测到明显的次级相或微观结构退化，而电阻率和交流磁

CRediT作者贡献声明

Tong Quan Yuan：撰写—初稿，方法论，调查研究，形式化分析。Tet Vui Chong：撰写—审阅与编辑，监督，项目管理，形式化分析。Shin King Loh：资源，方法论。Krishnan Kumar：方法论，形式化分析。Xiau San Cheng：验证，形式化分析。Siham Malki：验证，调查研究。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了INTI IU种子基金（编号INTI-FHLS-01-07-2023）的支持。

Tong Quan Yuan|Tet Vui Chong|Shin King Loh|Krishnan Kumar|Xiau San Cheng|Siham Malki