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铁基高温超导体和过渡金属二硫化物新材料的合成和输运性质的研究

吴刚  
【摘要】: 2008年初,一种新型的高温超导材料——铁基超导体被发现。它的超导转变温度很快由最初的26K迅速突破BCS理论预言传统超导体超导转变温度的麦克米兰极限(39K),直接证明这类铁砷超导体是一种新型的高温超导材料。铁基超导体是继铜氧化物高温超导体后发现的第二类高温超导材料。这一成果立即在国际上引起轰动,科学家为之投入了极大的热情,该领域内迅速取得了一系列令人瞩目的研究成果。这种材料的发现有望帮助人们解决解决高温超导这个难题。由此可见,每一种具有划时代意义的新材料的发现,必将极大的推动人类科学的发展。 在本论文中,我们发现了一系列铁基超温超导材料,并合成了122相的单晶样品。同时对它们的输运性质和磁性进行了一系列的研究和探索。同时我们还生长了不同类型的过渡金属二硫化物的单晶,并对其结构和输运性质进行了表征。 本论文共分为以下七章: 1.铁基高温超导体及过渡金属二硫化物研究进展 本章回顾了铁基高温超导材料的发现,对铁基高温超导体的结构,输运性质和磁性质,以及相图等与本论文密切相关的工作做了综述。同时还简述了铁基高温超导体理论和实验方面最新的研究进展。而对过渡金属二硫化物材料,我们对这类材料的结构和电荷密度波(CDW)行为做了简要的综述,并介绍了生长这类材料单晶的方法——气相化学输运法。 2.La_(0.85)Sr_(0.15)FeAsO_(1-δ)体系中氧空位引入的超导电性研究 本章中我们合成了单相性很好的La_(0.85)Sr_(0.15)FeAsO_(1-δ)的样品,并且系统地研究了氧空位对这个体系物理性质的影响。通过热电势的测量,我们发现在LaFeAsO中用少量的Sr部分取代La所获得的样品热电势为正值,说明体系中被引入了空穴载流子,但是并没有观察到超导电性。在真空条件下对样品进行退火可以在体系中引入氧空位掺入电子,压制自旋密度波(SDW)有序导致的电阻率反常。随着氧空位含量的增加超导转变温度(T_c)也不断增加,其最大值为26K,这一温度和LaFeAsO_(1-x)F_x最佳掺杂样品中观察到的超导转变温度一致。热电势的符号在没有真空退火处理的不超导样品中为正值,而在含有氧空位的超导样品中变为负值。但是所有样品的霍尔系数(R_H)均小于零。这表明在La_(0.85)Sr_(0.15)FeAsO_(1-δ)体系中主要载流子为电子。 3.M_(1-x)Sm_xFFeAs(M=Sr,Ba和Eu)体系的输运性质和超导电性的研究 本章中我们合成了具有ZrCuSiAs型结构的M_(1-x)Sm_xFFeAs(M=Sr,Ba和Eu)三个体系不同掺杂组分的样品,并测量了它们的电阻率和超导温区磁化率。我们发现在这几个体系中用稀土金属离子取代碱土金属离子能够压制SDW有序在电阻率行为上表现出的反常,并在样品中引入超导电性。名义组分为Sr_(0.5)Sm_(0.5)FFeAs,Ba_(0.5)Sm_(0.5)FFeAs和Eu_(0.5)Sm_(0.5)FFeAs的样品超导转变温度分别为56K,54K和51K,这说明铁砷氟化物和与结构相同的氧磷族元素化物具有相同的超导转变温度。 4.Ba_(1-x)M_xFe_2As_2(M=La和K)体系的输运性质和超导电性 本章中我们合成了ThCr_2Si_2类型结构的Ba_(1-x)M_xFe_2As_2(M=La和K)的样品,并且系统的测量了这些样品的电阻率,热电势(TEP)和霍尔系数(R_H)。BaFe_2As_2的电阻率曲线在140K左右存在SDW有序导致的电阻率反常。通过用La来取代体系中的Ba,会使这一电阻率的反常温度向低温漂移,但是没有引起超导电性。K的掺杂同样会压制这种电阻率的反常,同时引入转变温度(T_c)为38K的超导电性。霍尔系数和热电势的测量发现,BaFe_2As_2母体和La掺杂的BaFe_2As_2的热电势为负值,表明其中载流子类型是电子,而K的掺杂导致样品的热电势和霍尔系数变为正值。这明确的表明在Ba_(1-x)K_xFe_2As_2中载流子类型是空穴。 5.CaFe_2As_2中自选密度波在电阻率上的响应和Ca_(1-x)Na_xFe_2As_2的超导电性 本章中我们生长了高质量的的CaFe_2As_2单晶,并对它的输运性质,磁性质和电阻率的各向异性进行了系统的研究。CaFe_2As_2单晶阻率的各向异性比(ρ_c/ρ_(ab))大约在50左右,比之前报道的BaFe_2As_2的各向异性比(ρ_c/ρ_(ab)=150)要小。这说明CaFe_2As_2在c方向的耦合要比BaFe_2As_2强。比较它们c方向的晶胞参数,CaFe_2As_2大约比BaFe_2As_2小0.13nm。电阻率对CaFe_2As_2中自旋密度波(SDW)和结构相变的响应不同于ROFeAs(R=稀土金属元素)和MFe_2As_2(M=Ba或者Sr)。在CaFe_2As_2中SDW有序导致了一个电阻率大小迅速上升的行为。这种SDW有序在电阻率行为上的不同表现有助于我们理解SDW有序在这种铁基高温超导体中扮演的角色。CaFe_2As_2单晶的磁化率行为与BaFe_2As_2单晶的十分相似。在SDW转变温度(165K)以上,磁化率随温度是线性依赖关系。在CaFe_2As_2中,用Na原子部分取代Ca原子可以压制体系的电阻率反常,并且引入T_c=20K的超导电性。 6.Cu_xTiSe_2(0.015≤x≤0.110)单晶的生长和输运性质研究 本章中我们生长了一系列不同组分的Cu_xTiSe_2单晶(0.015≤x≤0.110)。对于x≤0.025的样品,其ab面和c方向的电阻率曲线都可以观察到一个很宽的峰,这正对应了样品的电荷密度波(CDW)行为。CDW有序在x=0.55附近被完全压制。这一体系随着Cu的插层出现超导电性,其超导转变温度随着Cu含量的增加先上升后降低。当x=0.11时,我们在1.8K以上已经观测不到超导转变的发生。电阻率的各向异性随着Cu含量的增加而变大,并且表现出非温度依赖的行为。体系的CDW性质在霍尔系数和热电势上有强烈的表现,并且Cu_xTiSe_2体系热电势很大,可比三角格子的NaxCoO_2体系。由于Cu的插层后体系中载流子和局域磁矩的相互作用,从而表现出负磁阻。 7.Cu_xNbS_2单晶的输运性质和巨大的各向异性磁阻效应研究 本章中我们用气相输运的方法生长了高质量的Cu_xNbS_2(x=0.09,0.44和0.55)单晶,并且系统的研究了它们的输运性质。Cu_xNbS_2单晶ab面和c方向的电阻率均随着Cu含量的增加而减小。在x=0.44和0.55的样品中,通过电阻率的测量我们观测到由于相变而导致的热滞现象。Cu_xNbS_2的热电势和霍尔系数具有不同的符号,这表明这一体系包含两种不同类型的载流子。我们还研究了不同温度下体系ab面磁阻(MR_ab=(ρ_(ab)(H)-ρ_(ab)(O))/ρ_(ab)(O)×100%)随角度依赖的关系。x=0.44和0.55样品的ab面磁阻表现出很强的各向异性。对于x=0.55的样品,在温度T=6K,磁场H=14T的条件下,当磁场和单晶的c方向平行时,MR_(ab)几乎达到80%;但是当磁场平行于ab面时,MR_(ab)仅仅不到5%。以上的结果可以用具有各向异性费米面的多带体系的模型来理解。


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