鐵基超導(dǎo)體LiFeP和新型稀磁半導(dǎo)體的制備和物性研究.pdf

1、鐵基超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)后引起了廣泛關(guān)注，迅速拓展到各個(gè)體系。人們嘗試用各種實(shí)驗(yàn)和理論手段研究其超導(dǎo)機(jī)制，并且越來(lái)越發(fā)現(xiàn)自旋漲落和超導(dǎo)電性之間有著密切的聯(lián)系。本文中我們用核磁共振的實(shí)驗(yàn)方法研究了“111”型鐵基超導(dǎo)LiFeP的性質(zhì)。通過(guò)固相反應(yīng)法合成多晶樣品后，我們測(cè)量了電阻率和磁化強(qiáng)度。電阻率在低溫下降到0，以及磁化強(qiáng)度給出的抗磁信號(hào)，都說(shuō)明LiFeP在～5K轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。在5～40K之間，電阻率和溫度之間有ρ∝T2的關(guān)系。我們測(cè)量了LiFeP

2、中31P的核磁共振譜線和自旋-晶格弛豫時(shí)間T1。我們研究了31P的奈特位移，31K。從4.2 K到280 K的譜線上，31K基本不隨溫度變化。另外，LiFeP中自旋-晶格弛豫率除以溫度，1/T1T，在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)都很小，比LiFeAs的1/T1T小將近一個(gè)數(shù)量級(jí)，意味著LiFeP中自旋漲落較弱。與此同時(shí)，1/T1T隨著溫度降低表現(xiàn)出一定的增大，說(shuō)明了LiFeP中確實(shí)存在反鐵磁漲落。Korringa關(guān)系T1TK=h/4πκBγ2e/γ2

3、nβ被用來(lái)研究電子的關(guān)聯(lián)情況。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，β＜1，同時(shí)β又比較接近于1，表明LiFeP中的電子關(guān)聯(lián)很弱。LiFeP的Tc較低，或許和該體系中電子關(guān)聯(lián)較弱有關(guān)。
　　我們的研究表明對(duì)于各個(gè)鐵基超導(dǎo)體系，如果將其中的Fe都換成Zn，就會(huì)變成直接帶隙半導(dǎo)體，比如LaZnAsO、LiZnAs、BaZn2As2。在這些半導(dǎo)體中摻雜Mn以引入局域磁矩，并同時(shí)摻雜載流子，會(huì)得到很多新型塊材稀磁半導(dǎo)體。目前一系列塊材DMS被發(fā)現(xiàn)，并命名為“

4、1111”[C.Ding et al.，Phys.Rev.B88,041102(R)(2013)],“111”[Z.Deng et al., Nat.Commun.2,422(2010)],“122”[K.Zhao et al., Nat.Commun.4,1442(2013)],“32522”[H.Y.Man et al.，Europhys.Lett.105，67004(2014)]等體系。這些體系也可以看成是鐵基超導(dǎo)體系的衍生物。同

5、時(shí)，鐵基超導(dǎo)中的Fe完全被Mn替代后，會(huì)得到一系列反鐵磁體，比如LaMnAsO[N.Emery et al.，Phys.Rev.B83，144429(2011)]、LiMnAs[W.Bronger et al.,Z.Anorg.Allg.Chem.539,175(1986)]、BaMn2As2[Y.Singh et al.，Phys.Rev.B80，100403(R)(2009)]等。值得注意的是這些超導(dǎo)體、稀磁半導(dǎo)體和反鐵磁體具有相同

6、的結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)值也很接近，該特點(diǎn)為利用這些材料通過(guò)As層做成各種異質(zhì)結(jié)奠定了材料基礎(chǔ)。這些新型DMS材料中，不同元素的摻雜分別引入自旋和載流子，實(shí)現(xiàn)了自旋和載流子的分離調(diào)控，使得我們能夠單獨(dú)研究自旋濃度或者載流子濃度對(duì)鐵磁性的影響。
　　本文中介紹了幾種新型塊材DMS的制備和物性研究，包括晶格結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)等。首先是“111”型Li(Zn，Mn)P。零場(chǎng)和弱橫向場(chǎng)μSR測(cè)量表明，隨著溫度降低，Li1.15(Zn0.9M

7、n0.1)P中的鐵磁有序的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，溫度降低至2K時(shí)鐵磁體積百分比接近100％。這說(shuō)明樣品中的鐵磁有序是本征的，而不是團(tuán)簇或雜質(zhì)導(dǎo)致的鐵磁信號(hào)。比較它和其他塊材稀磁半導(dǎo)體以及(Ga，Mn)As中，靜態(tài)局域場(chǎng)振幅as和居里溫度TC的關(guān)系可知，它們具有相同的鐵磁耦合機(jī)制。另外，Li1+y(Zn1-xMnx)P中，自旋和載流子分離的特點(diǎn)使得我們能夠在固定的自旋濃度下，單獨(dú)研究載流子濃度對(duì)鐵磁有序的影響。在Li1+y(Zn0.93Mn0

8、.07)P和Li1+y(Zn0.9Mn0.1)P中，隨著y的增大，居里溫度TC、外斯溫度θ、有效磁矩Meff、飽和磁矩Msat都是先增大后減小。說(shuō)明過(guò)多的載流子會(huì)壓制鐵磁有序，只有在載流子和自旋濃度之間的平衡點(diǎn)，才能達(dá)到最大TC，這與之前的理論預(yù)測(cè)不符。
　　其次，為嘗試新的摻雜途徑，我們?cè)凇?22”母相β-BaZn2As2的Zn位進(jìn)行Mn和Cu或者M(jìn)n和Co共摻雜，制備了p型塊材DMS Ba(Zn1-2xMnxCux)2As2以

9、及n型塊材DMS Ba(Zn1-2xMnxCox)2As2。研究表明共摻雜不會(huì)改變其四方層狀晶格結(jié)構(gòu)，但是會(huì)改變電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。在Ba(Zn1-2xMnxCux)2As2中，載流子的引入會(huì)降低電阻率，但是摻雜Mn引起的自旋漲落對(duì)載流子的散射，又會(huì)使電阻率增大。在單獨(dú)摻雜Mn或者Cu的樣品中，只觀察到順磁性。只有在同時(shí)摻雜Mn和Cu的樣品中，鐵磁有序才出現(xiàn)。居里溫度，TC，在x=0.20時(shí)達(dá)到70 K，矯頑力Hc達(dá)到1600 Oe。外加磁

10、場(chǎng)下的電阻率測(cè)量表明，該體系中存在負(fù)磁阻效應(yīng)。x=0.125的樣品在7K和5T下的磁阻達(dá)到-53％。Ba(Zn0.75Mn0.125Cu0.125)2As2的交流磁化率結(jié)果表明Tf強(qiáng)烈依賴于交流頻率和外加直流場(chǎng)，有v0/v=(Tf/19-1)-8.3和Tf（H）∝1-bH0.55，說(shuō)明Tf處發(fā)生了自旋玻璃轉(zhuǎn)變。
　　此外，“32522”型(Sr3La2O5)(Zn1-xMnx)2As2中鐵磁性的發(fā)現(xiàn)代表了第五類與鐵基超導(dǎo)具有相同結(jié)

11、構(gòu)的塊材稀磁半導(dǎo)體。該體系保持了半導(dǎo)體行為，其居里溫度TC最高達(dá)到40 K，飽和磁矩Msat最高達(dá)到0.5μB/Mn，并存在磁滯現(xiàn)象。不同摻雜量的樣品的磁化強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果還表明Mn摻雜確實(shí)有利于形成鐵磁有序，但是過(guò)多的Mn會(huì)導(dǎo)致Mn和Mn處于最近鄰位置，而產(chǎn)生反鐵磁耦合作用，從而破壞鐵磁有序。這也是為什么摻雜量為30％時(shí)，已經(jīng)不存在任何鐵磁有序的原因。
　　Ba(Zn1-2xMnxCox)2As2是第一個(gè)共摻雜的n型塊材稀磁半導(dǎo)體。

12、其居里溫度為～40K，并且伴隨有鐵磁和反鐵磁耦合作用的競(jìng)爭(zhēng)，以及負(fù)磁阻效應(yīng)。Ba(Zn，MnCo)2As2的霍爾效應(yīng)測(cè)量結(jié)果表明其載流子類型為n型，證實(shí)了Ba(Zn，MnCo)2As2中的電子型載流子來(lái)自于(Zn2+，Co3+)替代。Zn2+，Mn2+，Co3+離子半徑的差異導(dǎo)致三者不容易同時(shí)進(jìn)入同一晶格中。為了進(jìn)一步理解該體系中Mn和Co的作用，我們需要提高樣品品質(zhì)，并且通過(guò)更多的實(shí)驗(yàn)手段來(lái)研究Ba(Zn，MnCo)2As2中的磁轉(zhuǎn)變

13、是否是本征的。
　　我們?cè)谔剿?、尋找新型塊材DMS的過(guò)程中進(jìn)行了大量嘗試。嘗試過(guò)的材料包括“111”型Li(Zn，F(xiàn)e)P和Li(Zn，F(xiàn)e)As，“1111”型(La，Ca/Sr)(Zn，Co/Cr)AsO，(Ba，K)F(Zn，Mn)As，(Ba，K)F(Cu，Mn)S和La(Zn，Mn)As(O，F(xiàn))，另外還有“122”型(Ba，La)(Zn，Mn)2As2，Ba(Zn，MnNi)2As2和Ba(Zn，Mn)2(As，P)2