铁硫族超导体超导电性研究

【摘要】：2008年LaFeAsO1-xFx中26K超导电性的发现很快引起了一股研究的热潮。一方面,铜氧化物高温超导电性配对机制尚未明确,铁基高温超导体为此提供了一条新的研究途径；另一方面,在磁性元素铁的化合物中竟然会出现高温超导电性,这一现象也打破了人们的传统观念。在铁基超导材料中,与铁砷族相比,铁硫族超导体结构相对简单、不含有毒元素砷,是研究铁基材料超导机制的一种理想载体。而且铁硫族超导体也有很多不同于铁砷族的独特性质。本论文以铁硫族超导体为研究对象,通过外加压力、元素掺杂、不同气氛退火等手段改变体系的微结构、磁性质,研究了超导电性、磁性及微结构之间的关联。本论文共分为六章： 前两章简单介绍了超导材料的发现历程以及铁硫族超导体的物理性质。 第三章,FeTe1-xSx单晶中压力效应对超导电性和磁性的影响。用原子半径较小的S替代FeTe中的Te会产生化学压,抑制磁有序,诱导出超导电性。但S固溶度低,超导电性较弱,能否在化学压的基础上进一步通过外加压力来增强超导电性还不清楚。我们对FeTe1-xSx单晶做了加压实验,发现均匀样品中的超导电性随压力增加逐渐被抑制,这被归因于晶体结构在高压下发生相变所致。而非均匀样品的临界温度却被升高到21K(10kbar),这被归因于组分不均匀产生的应力在高压下避免了结构相变所致。研究表明：在铁硫族超导体中如果可以避免结构在高压下发生相变,那么临界温度将会被进一步提高。 第四章,FeRe1-xSx单晶中退火效应对超导电性和磁性的影响。该体系S固溶度低,超导电性较弱,常伴随着与磁性共存,我们对单晶样品做了不同气氛下的退火研究,实验发现体系超导电性不仅可以被空气中退火改善,而且还可以被真空、氩气中退火改善。组分分析及比热结果显示,空气中退火后氧进入到体系中,长程反铁磁序被部分抑制；而真空、氩气中退火对样品的组分没有影响,超导电性的改善与微结构有关。研究表明：该体系中可以通过退火方法抑制磁性、调节微结构来改善超导电性。 第五章,FeTe0.8Se0.2单晶中Fe位掺杂效应对超导电性和磁性的影响。铁硫族超导体的研究主要集中在Se位替代上,Fe位替代相对较少而且主要集中在多晶样品中。我们制备了名义组分为M0.05Pe0.95TB0.8Se0.2(M=Ci、Mn、Co、 Ni、Cu、Zn)的单晶样品。实验发现离子半径较小的Cu2+、Co2+、Ni2+可以有效的进入到体系中,含量接近名义的5%,而Cr2+、Mn2+、Zn2+的固溶度却很低。磁化率和电阻率结果表明,Co、Ni、Cu替代Fe导致了自旋玻璃的形成,并抑制了超导电性。Cu、Ni掺杂全破坏了超导电性,而晶格常数最小的Co掺杂样品中超导电性仅被部分抑制。研究表明：体系的超导电性还可以通过微结构的改变而得到调整。 第六章,详细研究了Co、Cu两种元素在超导电性最优的FeTe0.6Se0.4中掺杂效应对超导电性和磁性的影响。实验发现,Cu掺杂比Co掺杂更强烈的抑制了超导电性,但Co掺杂却比Cu掺杂对磁性的影响更为明显。比热测量发现,Co掺杂的样品中存在肖特基异常比热,表明向体系中引入了顺磁性磁矩；而Cu掺杂的样品中没有发现肖特基异常比热,表明Cu掺杂是非磁性的。研究结果支持了该体系S±配对对称性的说法。