Microstructurally clean, isovalently P-doped BaFe2As2 (Ba-122) single crystalline thin films have been prepared on MgO (001) substrates by molecular beam epitaxy. These films show a superconducting transition temperature (Tc) of over 30 K although P content is around 0.22, which is lower than the optimal one for single crystals (i.e., 0.33). The enhanced Tc at this doping level is attributed to the in-plane tensile strain. The strained film shows high transport self-field critical current densities (Jc) of over 6 MA/cm2 at 4.2 K, which are among the highest for Fe based superconductors (FeSCs). In-field Jc exceeds 0.1 MA/cm2 at μ0H=35T for Hab and μ0H=18T for Hc at 4.2 K, respectively, in spite of moderate upper critical fields compared to other FeSCs with similar Tc. Structural investigations reveal no defects or misoriented grains pointing to strong pinning centers. We relate this unexpected high Jc to a strong enhancement of the vortex core energy at optimal Tc, driven by in-plane strain and doping. These unusually high Jc make P-doped Ba-122 very favorable for high-field magnet applications.

1.
K.
Tanabe
and
H.
Hosono
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
51
,
010005
(
2012
).
2.
J. D.
Weiss
,
C.
Tarantini
,
J.
Jiang
,
F.
Kametani
,
A. A.
Polyanskii
,
D. C.
Larbalestier
, and
E. E.
Hellstrom
,
Nat. Mater.
11
,
682
(
2012
).
3.
Z.
Gao
,
K.
Togano
,
A.
Matsumoto
, and
H.
Kumakura
,
Sci. Rep.
4
,
4065
(
2014
).
4.
N. H.
Lee
,
S.-G.
Jung
,
D. H.
Kim
, and
W. N.
Kang
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
202505
(
2010
).
5.
S.
Takeda
,
S.
Ueda
,
T.
Yamagishi
,
S.
Agatsuma
,
S.
Takano
,
A.
Mitsuda
, and
M.
Naito
,
Appl. Phys. Express
3
,
093101
(
2010
).
6.
A.
Sakagami
,
T.
Kawaguchi
,
M.
Tabuchi
,
T.
Ujihara
,
Y.
Takeda
, and
H.
Ikuta
,
Physica C
494
,
181
(
2013
).
7.
M.
Miura
,
B.
Maiorov
,
T.
Kato
,
T.
Shimode
,
K.
Wada
,
S.
Adachi
, and
K.
Tanabe
,
Nat. Commun.
4
,
2499
(
2013
).
8.
M.
Miura
,
S.
Adachi
,
T.
Shimode
,
K.
Wada
,
A.
Takemori
,
N.
Chikumoto
,
K.
Nakao
, and
K.
Tanabe
,
Appl. Phys. Express
6
,
093101
(
2013
).
9.
S.
Lee
,
J.
Jiang
,
J. D.
Weiss
,
C. M.
Folkman
,
C. W.
Bark
,
C.
Tarantini
,
A.
Xu
,
D.
Abraimov
,
A.
Polyanskii
,
C. T.
Nelson
,
Y.
Zhang
,
S. H.
Baek
,
H. W.
Jang
,
A.
Yamamoto
,
F.
Kametani
,
X. Q.
Pan
,
E. E.
Hellstrom
,
A.
Gurevich
,
C. B.
Eom
, and
D. C.
Larbalestier
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
212505
(
2009
).
10.
K.
Iida
,
S.
Haindl
,
F.
Kurth
,
J.
Hänisch
,
L.
Schulz
, and
B.
Holzapfel
,
Phys. Procedia
45
,
189
(
2013
).
11.
T.
Katase
,
Y.
Ishimaru
,
A.
Tsukamoto
,
H.
Hiramatsu
,
T.
Kamiya
,
K.
Tanabe
, and
H.
Hosono
,
Nat. Commun.
2
,
409
(
2011
).
12.
T.
Kawaguchi
,
A.
Sakagami
,
Y.
Mori
,
M.
Tabuchi
,
T.
Ujihara
,
Y.
Takeda
, and
H.
Ikuta
,
Supercond. Sci. Technol.
27
,
065005
(
2014
).
13.
S.
Kasahara
,
T.
Shibauchi
,
K.
Hashimoto
,
K.
Ikada
,
S.
Tonegawa
,
R.
Okazaki
,
H.
Shishido
,
H.
Ikeda
,
H.
Takeya
,
K.
Hirata
,
T.
Terashima
, and
Y.
Matsuda
,
Phys. Rev. B
81
,
184519
(
2010
).
14.
S.
Jiang
,
H.
Xing
,
G.
Xuan
,
C.
Wang
,
Z.
Ren
,
C.
Feng
,
J.
Dai
,
Z.
Xu
, and
G.
Cao
,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
382203
(
2009
).
15.
R. M.
Langford
,
Microsc. Res. Tech.
69
,
538
(
2006
).
16.
S.
Adachi
,
T.
Shimode
,
M.
Miura
,
N.
Chikumoto
,
A.
Takemori
,
K.
Nakao
,
Y.
Oshikubo
, and
K.
Tanabe
,
Supercond. Sci. Technol.
25
,
105015
(
2012
).
17.
C.
Putzke
,
P.
Walmsley
,
J. D.
Fletcher
,
L.
Malone
,
D.
Vignolles
,
C.
Proust
,
S.
Badoux
,
P.
See
,
H. E.
Beere
,
D. A.
Ritchie
,
S.
Kasahara
,
Y.
Mizukami
,
T.
Shibauchi
,
Y.
Matsuda
, and
A.
Carrington
,
Nat. Commun.
5
,
5679
(
2014
).
18.
T.
Shibauchi
,
A.
Carrington
, and
Y.
Matsuda
,
Annu. Rev. Condens. Matter Phys.
5
,
113
(
2014
).
19.
F.
Kurth
,
K.
Iida
,
S.
Trommler
,
J.
Hänisch
,
K.
Nenkov
,
J.
Engelmann
,
S.
Oswald
,
J.
Werner
,
L.
Schultz
,
B.
Holzapfel
, and
S.
Haindl
,
Supercond. Sci. Technol.
26
,
025014
(
2013
).
20.
J.
Hänisch
,
K.
Iida
,
S.
Haindl
,
F.
Kurth
,
A.
Kauffmann
,
M.
Kidszun
,
T.
Thersleff
,
J.
Freudenberger
,
L.
Schultz
, and
B.
Holzapfel
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
21
,
2887
(
2011
).
21.
C.
Tarantini
,
A.
Gurevich
,
J.
Jaroszynski
,
F.
Balakirev
,
E.
Bellingeri
,
I.
Pallecchi
,
C.
Ferdeghini
,
B.
Shen
,
H. H.
Wen
, and
D. C.
Larbalestier
,
Phys. Rev. B
84
,
184522
(
2011
).
22.
C.
Chaparro
,
L.
Fang
,
H.
Claus
,
A.
Rydh
,
G. W.
Crabtree
,
V.
Stanev
,
W. K.
Kwok
, and
U.
Welp
,
Phys. Rev. B
85
,
184525
(
2012
).
23.
N. R.
Werthamer
,
E.
Helfand
, and
P. C.
Hohenberg
,
Phys. Rev.
147
,
295
(
1966
).
24.
V.
Grinenko
,
K.
Kikoin
,
S.-L.
Drechsler
,
G.
Fuchs
,
K.
Nenkov
,
S.
Wurmehl
,
F.
Hammerath
,
G.
Lang
,
H.-J.
Grafe
,
B.
Holzapfel
,
J.
van den Brink
,
B.
Büchner
, and
L.
Schultz
,
Phys. Rev. B
84
,
134516
(
2011
).
25.
G.
Fuchs
,
S.-L.
Drechsler
,
N.
Kozlova
,
M.
Bartkowiak
,
J. E.
Hamann-Borrero
,
G.
Behr
,
K.
Nenkov
,
H.-H.
Klauss
,
H.
Maeter
,
A.
Amato
,
H.
Luetkens
,
A.
Kwadrin
,
R.
Khasanov
,
J.
Freudenberger
,
A.
Köhler
,
M.
Knupfer
,
E.
Arushanov
,
H.
Rosner
,
B.
Büchner
, and
L.
Schultz
,
New J. Phys.
11
,
075007
(
2009
).
26.
H. Q.
Yuan
,
J.
Singleton
,
F. F.
Balakirev
,
S. A.
Baily
,
G. F.
Chen
,
J. L.
Luo
, and
N. L.
Wang
,
Nature
457
,
565
(
2009
).
27.
K.
Iida
,
J.
Hänisch
,
C.
Tarantini
,
F.
Kurth
,
J.
Jaroszynski
,
S.
Ueda
,
M.
Naito
,
A.
Ichinose
,
I.
Tsukada
,
E.
Reich
,
V.
Grinenko
,
L.
Schultz
, and
B.
Holzapfel
,
Sci. Rep.
3
,
2139
(
2013
).
28.
D. L.
Sun
,
Y.
Liu
, and
C. T.
Lin
,
Phys. Rev. B
80
,
144515
(
2009
).
29.
C.
Tarantini
,
F.
Kametani
,
S.
Lee
,
J.
Jiang
,
J. D.
Weiss
,
J.
Jaroszynski
,
E. E.
Hellstrom
,
C. B.
Eom
, and
D. C.
Larbalestier
,
Sci. Rep.
4
,
7305
(
2014
).
30.
K.
Hashimoto
,
M.
Yamashita
,
S.
Kasahara
,
Y.
Senshu
,
N.
Nakata
,
S.
Tonegawa
,
K.
Ikada
,
A.
Serafin
,
A.
Carrington
,
T.
Terashima
,
H.
Ikeda
,
T.
Shibauchi
, and
Y.
Matsuda
,
Phys. Rev. B
81
,
220501
(
2010
).
31.
H.
Sato
,
H.
Hiramatsu
,
T.
Kamiya
, and
H.
Hosono
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
182603
(
2014
).
32.
G.
Ercolano
,
M.
Bianchetti
,
S. C.
Wimbush
,
S. A.
Harrington
,
H.
Wang
,
J. H.
Lee
, and
J. L.
MacManus-Driscoll
,
Supercond. Sci. Technol.
24
,
095012
(
2011
).
33.
H.
Matsui
,
H.
Ogiso
,
H.
Yamasaki
,
M.
Sohma
,
I.
Yamaguchi
,
T.
Kumagai
, and
T.
Manabe
,
J. Appl. Phys.
114
,
233911
(
2013
).
34.
S.
Awaji
,
M.
Namba
,
K.
Watanabe
,
M.
Miura
,
Y.
Ichino
,
Y.
Yoshida
,
Y.
Takai
, and
K.
Matsumoto
,
Physica C
463–465
,
669
(
2007
).
35.
K.
Hashimoto
,
K.
Cho
,
T.
Shibauchi
,
S.
Kasahara
,
Y.
Mizukami
,
R.
Katsumata
,
Y.
Tsuruhara
,
T.
Terashima
,
H.
Ikeda
,
M. A.
Tanatar
,
H.
Kitano
,
N.
Salovich
,
R. W.
Giannetta
,
P.
Walmsley
,
A.
Carrington
,
R.
Prozorov
, and
Y.
Matsuda
,
Science
336
,
1554
(
2012
).
36.
C. J.
van der Beek
,
M.
Konczykowski
, and
R.
Prozorov
,
Supercond. Sci. Technol.
25
,
084010
(
2012
).
37.
R.
Griessen
,
W.
Hai-hu
,
A. J. J.
van Dalen
,
B.
Dam
,
J.
Rector
,
H. G.
Schnack
,
S.
Libbrecht
,
E.
Osquiguil
, and
Y.
Bruynseraede
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
1910
(
1994
).
38.
J.
Engelmann
,
V.
Grinenko
,
P.
Chekhonin
,
W.
Skrotzki
,
D.
Efremov
,
S.
Oswald
,
K.
Iida
,
R.
Hühne
,
J.
Hänisch
,
M.
Hoffmann
,
F.
Kurth
,
L.
Schultz
, and
B.
Holzapfel
,
Nat. Commun.
4
,
2877
(
2013
).
You do not currently have access to this content.