鐵基高溫超導(dǎo)體和過渡金屬二硫化物新材料的合成和輸運(yùn)性質(zhì)的研究.pdf

1、2008年初，一種新型的高溫超導(dǎo)材料--鐵基超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)。它的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度很快由最初的26K迅速突破BCS理論預(yù)言傳統(tǒng)超導(dǎo)體超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的麥克米蘭極限(39K)，直接證明這類鐵砷超導(dǎo)體是一種新型的高溫超導(dǎo)材料。鐵基超導(dǎo)體是繼銅氧化物高溫超導(dǎo)體后發(fā)現(xiàn)的第二類高溫超導(dǎo)材料。這一成果立即在國(guó)際上引起轟動(dòng)，科學(xué)家為之投入了極大的熱情，該領(lǐng)域內(nèi)迅速取得了一系列令人矚目的研究成果。這種材料的發(fā)現(xiàn)有望幫助人們解決解決高溫超導(dǎo)這個(gè)難題。由此可見，每一種

2、具有劃時(shí)代意義的新材料的發(fā)現(xiàn)，必將極大的推動(dòng)人類科學(xué)的發(fā)展。 在本論文中，我們發(fā)現(xiàn)了一系列鐵基超溫超導(dǎo)材料，并合成了122相的單晶樣品。同時(shí)對(duì)它們的輸運(yùn)性質(zhì)和磁性進(jìn)行了一系列的研究和探索。同時(shí)我們還生長(zhǎng)了不同類型的過渡金屬二硫化物的單晶，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了表征。 本論文共分為以下七章： 1.鐵基高溫超導(dǎo)體及過渡金屬二硫化物研究進(jìn)展 本章回顧了鐵基高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，對(duì)鐵基高溫超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，輸運(yùn)性質(zhì)

3、和磁性質(zhì)，以及相圖等與本論文密切相關(guān)的工作做了綜述。同時(shí)還簡(jiǎn)述了鐵基高溫超導(dǎo)體理論和實(shí)驗(yàn)方面最新的研究進(jìn)展。而對(duì)過渡金屬二硫化物材料，我們對(duì)這類材料的結(jié)構(gòu)和電荷密度波(CDW)行為做了簡(jiǎn)要的綜述，并介紹了生長(zhǎng)這類材料單晶的方法--氣相化學(xué)輸運(yùn)法。 2. La0.85Sr0.15FeAsO1-δ體系中氧空位引入的超導(dǎo)電性研究 本章中我們合成了單相性很好的La0.85Sr0.15FeAsO1-δ的樣品，并且系統(tǒng)地研究了氧空位

4、對(duì)這個(gè)體系物理性質(zhì)的影響。通過熱電勢(shì)的測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)在LaFeAsO中用少量的Sr部分取代La所獲得的樣品熱電勢(shì)為正值，說明體系中被引入了空穴載流子，但是并沒有觀察到超導(dǎo)電性。在真空條件下對(duì)樣品進(jìn)行退火可以在體系中引入氧空位摻入電子，壓制自旋密度波(SDW)有序?qū)е碌碾娮杪史闯?。隨著氧空位含量的增加超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)也不斷增加，其最大值為26K，這一溫度和LaFeAsO1-xFx最佳摻雜樣品中觀察到的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度一致。熱電勢(shì)的符號(hào)在沒

5、有真空退火處理的不超導(dǎo)樣品中為正值，而在含有氧空位的超導(dǎo)樣品中變?yōu)樨?fù)值。但是所有樣品的霍爾系數(shù)(RH)均小于零。這表明在La0.85Sr0.15FeAsO1-δ體系中主要載流子為電子。 3. M1-xSmxFFeAs(M=Sr，Ba和Eu)體系的輸運(yùn)性質(zhì)和超導(dǎo)電性的研究 本章中我們合成了具有ZrCuSiAs型結(jié)構(gòu)的M1-XSmxFFeAs(M=Sr，Ba和Eu)三個(gè)體系不同摻雜組分的樣品，并測(cè)量了它們的電阻率和超導(dǎo)溫區(qū)磁

6、化率。我們發(fā)現(xiàn)在這幾個(gè)體系中用稀土金屬離子取代堿土金屬離子能夠壓制SDW有序在電阻率行為上表現(xiàn)出的反常，并在樣品中引入超導(dǎo)電性。名義組分為Sr0.5Sm0.5FFeAs，Ba0.4Sm0.5FFeAs和Eu0.5Sm0.5FFeAs的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度分別為56K，54K和51K，這說明鐵砷氟化物和與結(jié)構(gòu)相同的氧磷族元素化物具有相同的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。 4. Ba1-xMxFe2As2(M=La和K)體系的輸運(yùn)性質(zhì)和超導(dǎo)電性

7、本章中我們合成了ThCr2Si2類型結(jié)構(gòu)的Ba1-xMxFe2As2(M=La和K)的樣品，并且系統(tǒng)的測(cè)量了這些樣品的電阻率，熱電勢(shì)(TEP)和霍爾系數(shù)(RH)。BaFe2As2的電阻率曲線在140K左右存在SDW有序?qū)е碌碾娮杪史闯！Ｍㄟ^用La來取代體系中的Ba，會(huì)使這一電阻率的反常溫度向低溫漂移，但是沒有引起超導(dǎo)電性。K的摻雜同樣會(huì)壓制這種電阻率的反常，同時(shí)引入轉(zhuǎn)變溫度(Tc)為38K的超導(dǎo)電性?；魻栂禂?shù)和熱電勢(shì)的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，BaFe

8、2As2母體和La摻雜的BaFe2As2的熱電勢(shì)為負(fù)值，表明其中載流子類型是電子，而K的摻雜導(dǎo)致樣品的熱電勢(shì)和霍爾系數(shù)變?yōu)檎?。這明確的表明在Ba1-xKxFe2As2中載流子類型是空穴。 5. CaFe2As2中自選密度波在電阻率上的響應(yīng)和Ca1-xNaxFe2As2的超導(dǎo)電性 本章中我們生長(zhǎng)了高質(zhì)量的的CaFe2As2單晶，并對(duì)它的輸運(yùn)性質(zhì)，磁性質(zhì)和電阻率的各向異性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。CaFe2As2單晶阻率的各向異性

9、比(ρc/ρa(bǔ)b)大約在50左右，比之前報(bào)道的BaFe2As2的各向異性比(ρc/ρa(bǔ)b=150)要小。這說明CaFe2As2在c方向的耦合要比BaFe2As2強(qiáng)。比較它們c方向的晶胞參數(shù)，CaFe2As2大約比BaFe2As2小0.13nm。電阻率對(duì)CaFe2As2中自旋密度波(SDW)和結(jié)構(gòu)相變的響應(yīng)不同于ROFeAs(R=稀土金屬元素)和MFe2As2(M=Ba或者Sr)。在CaFe2As2中SDW有序?qū)е铝艘粋€(gè)電阻率大小迅速上升

10、的行為。這種SDW有序在電阻率行為上的不同表現(xiàn)有助于我們理解SDW有序在這種鐵基高溫超導(dǎo)體中扮演的角色。CaFe2As2單晶的磁化率行為與BaFe2As2單晶的十分相似。在SDW轉(zhuǎn)變溫度(165K)以上，磁化率隨溫度是線性依賴關(guān)系。在CaFe2As2中，用Na原子部分取代Ca原子可以壓制體系的電阻率反常，并且引入Tc=20K的超導(dǎo)電性。 6. CuxTiSe2(0.015≤x≤0.110)單晶的生長(zhǎng)和輸運(yùn)性質(zhì)研究 本章中

11、我們生長(zhǎng)了一系列不同組分的CuxTiSe2單晶(0.015≤x≤0.110)。對(duì)于x≤0.025的樣品，其ab面和c方向的電阻率曲線都可以觀察到一個(gè)很寬的峰，這正對(duì)應(yīng)了樣品的電荷密度波(CDW)行為。CDW有序在x=0.55附近被完全壓制。這一體系隨著Cu的插層出現(xiàn)超導(dǎo)電性，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨著Cu含量的增加先上升后降低。當(dāng)x=0.11時(shí)，我們?cè)?.8K以上已經(jīng)觀測(cè)不到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的發(fā)生。電阻率的各向異性隨著Cu含量的增加而變大，并且表現(xiàn)出非

12、溫度依賴的行為。體系的CDW性質(zhì)在霍爾系數(shù)和熱電勢(shì)上有強(qiáng)烈的表現(xiàn)，并且CuxTiSe2體系熱電勢(shì)很大，可比三角格子的NaxCoO2體系。由于Cu的插層后體系中載流子和局域磁矩的相互作用，從而表現(xiàn)出負(fù)磁阻。 7. CuxNbS2單晶的輸運(yùn)性質(zhì)和巨大的各向異性磁阻效應(yīng)研究 本章中我們用氣相輸運(yùn)的方法生長(zhǎng)了高質(zhì)量的CuxNbS2(x=0.09，0.44和0.55)單晶，并且系統(tǒng)的研究了它們的輸運(yùn)性質(zhì)。CuxNbS2單晶ab面和

13、c方向的電阻率均隨著Cu含量的增加而減小。在x=0.44和0.55的樣品中，通過電阻率的測(cè)量我們觀測(cè)到由于相變而導(dǎo)致的熱滯現(xiàn)象。CuxNbS2的熱電勢(shì)和霍爾系數(shù)具有不同的符號(hào)，這表明這一體系包含兩種不同類型的載流子。我們還研究了不同溫度下體系ab面磁阻(MRab=(ρa(bǔ)6(H)-ρa(bǔ)b(O))/ρa(bǔ)b(0)×100％)隨角度依賴的關(guān)系。x=0.44和0.55樣品的ab面磁阻表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性。對(duì)于x=0.55的樣品，在溫度T=6K，磁