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Comptes Rendus Physique
Volume 12, n° 5-6
pages 584-590 (juin 2011)
Doi : 10.1016/j.crhy.2011.03.002
Superconductivity in doped clathrates, diamond and silicon
Supraconductivité dans des clathrates dopés, du diamant et du silicium
 

Xavier Blase
Institut Néel, CNRS and Joseph Fourier University, 25, rue des Martyrs, 38042 Grenoble cedex 9, France 

Abstract

We review in the present article recent work pertaining to the superconducting transition in boron-doped silicon and diamond in their well-known ambient pressure and temperature cubic diamond structure. Thanks to recent developments in chemical vapor deposition techniques, high-temperature–high-pressure experiments, or laser assisted non-equilibrium doping approaches, it is indeed now possible to dope these standard semiconductors and insulators up to the few percent range, that is way beyond the impurity solubility limit and the insulator–metal transition doping threshold. We discuss in particular the microscopic origin of the superconducting transition, emphasizing the role of first-principles calculations in directing the interpretation to a phonon-mediated scenario for these degenerate compounds with no impurity band. A large variety of ab initio calculations predict superconducting transition temperatures larger than that of MgB2 if diamond doping can be increased up to about 30%. The case of intercalated semiconducting clathrates is discussed, not only as a precursor to the superconductivity in silicon, but also as a prototype system offering directions to significantly increase   is doped diamond and silicon.

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Résumé

Nous présentons dans cet article une analyse de la transition supraconductrice induite par dopage au bore du diamant et du silicium dans leur phase cristallographique usuelle aux conditions ambiantes. Grâce aux progrès réalisés dans les techniques de croissance par déposition en phase vapeur et les techniques de synthèse par les voix hautes températures-hautes pressions, ou encore les approches « hors dʼéquilibre » assistées par laser, il est aujourdʼhui possible de doper ces phases denses bien au delà non seulement de la limite de solubilité pour lʼimpureté choisie, mais également au delà du seuil de transition isolant–métal. Nous discutons du mécanisme microscopique à lʼorigine de cette transition sur la base en particulier de simulations ab initio mettant en relief lʼimportance du couplage électron–phonon dans ces semiconducteurs dégénérés ne présentant pas de bande dʼimpureté. De nombreuses prédictions suggèrent des températures de transition supérieures à celle de MgB2 sous condition que le taux de dopage puisse être augmenté vers les 30%. Nous discuterons également des clathrates de silicium et de carbone, précurseurs dans la famille des semiconducteurs   de la colonne IV présentant une transition supraconductrice sous dopage, et offrant des perspectives pour lʼaugmentation de la température critique dans le diamant et le silicium.

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Keywords : Superconductivity, Metal–insulator transition, Doped insulators, Ab initio calculations

Mots-clés : Supraconductivité, Transition métal–isolant, Semiconducteurs dopés, Simulations ab initio




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