铁基超导体的探索性合成和性质

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非常规超导体一直是凝聚态物理领域和材料科学领域最活跃的研究方向之一。自2008年具有26 K临界转变温度的铁基超导体LaFeAsO1-xFx发现以来，全世界范围内掀起了探索和研究这种新的高温超导材料的热潮，一些新的铁基超导材料相继被合成，一些新的物理性质相继被发现。我们也参与到了这股探索新材料的热潮之中，本论文将主要介绍我们在铁基超导体的探索中所做的工作。 论文的引言部分介绍了铁基超导体的发展历史及研究现状，笔墨着重放在了铁基超导体的材料探索的进展上。 第二章介绍了本论文所涉及到的实验装置和实验方法。 第三章介绍了我们合成的一种新的铁基超导体的母体AeFeAsF（Ae为碱土元素）。我们利用同样是“+1”价的AeF层来替代ReFeAsO（Re为稀土元素）中的ReO层，成功构造了一种新的铁基超导体的母体AeFeAsF，并在其中发现了和其他母体（如ReFeAsO和AeFe2As2）中类似的自旋密度波态。 第四章的内容是关于我们在铁基材料中使用4d、5d过渡金属元素掺杂获得超导的工作。在铁基超导体的母体的Fe位进行过渡金属元素掺杂是一种有效的实现超导的手段，然而这并非对所有的过渡金属元素都适用。之前已经被报道在Fe位掺杂后能够获得超导的元素包括Co、Ni和Ru。我们使用4d过渡金属元素Rh、Pd以及5d过渡金属元素Ir进行掺杂，同样获得了超导电性，将Fe位掺杂获得超导的元素种类扩展到了6种。在此之后Pt掺杂和Cu掺杂的铁基超导体也相继被发现。 第五章叙述了我们推翻了其他小组报道LiCu2P2中存在超导电性的工作。找到能够沟通铜氧化物和铁基超导体这两大高温超导体系的材料无疑对于高温超导机理的解决至关重要，而德克萨斯大学奥斯汀分校的研究小组认为他们找到了这种材料：具有3.7 K超导电性的LiCu2P2。这个化合物具有和铁基超导体中的Fe2As2层同结构的Cu2P2层，超导发生在正方形的Cu原子面上，这和铜氧化物超导体十分类似。然而我们生长了多晶和单晶后发现这个化合物在2 K以上并没有超导电性存在并且发现它是一个单带的金属，这与铁基超导体中的多能带有很大差异。 第六章讲述了我们在KxFe2-ySe2的制备过程中通过淬火获得亚稳的超导相的工作。KxFe2-ySe2被认为是一个相分离的体系，其中包含至少一种绝缘的非超导相和至少一种超导相。我们发现通过在制备过程中淬火可以获得很好的超导样品，而随炉降温的样品却是绝缘的，并且这种绝缘样品在高温下退火后再次淬火同样能够实现超导。电感耦合等离子发射光谱（ICP）的结果显示在保证制备条件不变的条件下，淬火和随炉降温所获得的样品的化学计量比几乎相等，这说明KxFe2-ySe2样品是否超导与Fe的价态无关。通过与分子束外延技术（MBE）生长的KxFe2-ySe2薄膜中获得的结果进行比较，我们认为我们通过淬火获得了薄膜中利用扫描隧道显微镜观测到的无Fe空位的超导相，并且这个相是亚稳的，淬火过程起着将高温下的这种无Fe空位的相冻结起来的作用。 第七章对我们发现的一种新的莫特绝缘体BaFe2Se2O进行了介绍。铜氧化物超导体的超导电性是在反铁磁的莫特绝缘体母体中通过掺杂电子或者空穴得到的。我们合成了一种新的铁基化合物BaFe2Se2O，通过粉末衍射确定了它的结构，并且通过输运性质测量，发现这种新化合物是一个在240 K具有反铁磁转变的绝缘体。进一步的理论计算表明，这个化合物中类蜂窝状的Fe的亚格子对费米能附近Fe的3d能带的窄化负责，这导致了这个化合物中磁性的局域性以及莫特绝缘体行为。这个化合物和铜氧化物母体十分相似的性质为我们在这个铁基的莫特绝缘体中发现高温超导提供了一种可能。 论文最后对全文内容做出了详细总结。