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铁硒基超导单晶制备与物性研究

刘少博  
【摘要】:非常规超导电性包括铁基超导电性是当代凝聚态物理研究的核心,其超导起源问题尚未解决。研究铁基超导体的正常态物性和超导电性的相互关系对理解这个问题非常重要。铁硫属族化合物FeSe_(1-x)S_x和FeSe_(1-y)Te_y是等电子替代的超导体系,结构简单,但物性丰富(包括超导序、电子向列序、反铁磁序相关物理)。尤其是该体系中没有插入层和额外载流子掺杂效应的影响,因此为研究非常规超导体本征的正常态和超导态物性提供了一个很好的平台。本论文主要围绕等电子体系FeSe_(1-x)S_x和FeSe_(1-y)Te_y的超导态和正常态物性的相互关系开展研究。以下是本文取得的重要进展:(1)FeSe_(1-x)S_x-FeSe_(1-y)Te_y超导体系联合电子相图的建立。在这个工作中,首先我们通过水热离子脱插法(HID)合成了低Te组分替代的FeSe_(1-y)Te_y(0.04≤y≤0.30)单晶,不仅解决了该组分区间单晶合成的问题,而且消除了常见于多晶样品的化学相分离现象。基于此和综合物性测量,我们得以建立FeSe_(1-x)S_x-FeSe_(1-y)Te_y体系联合相图。该体系其他组分的单晶样品,可以通过常规方法合成。比如我们分别通过化学气象输运法(CVT)成功合成了FeSe_(1-x)S_x(0.19≥x≥0.0)单晶;通过自助溶剂法(self-flux)合成了高Te组分替代的FeSe_(1-y)Te_y(0.61≤y≤1)单晶。根据过去的报道,CVT-FeSe_(1-x)S_x样品在温度T_s发生四方到正交的结构相变(电子向列相变),表现为T_s附近发生比热跃变、电阻率扭折、非线性的霍尔电阻率、霍尔系数骤然下降(甚至变为负值)以及d_(xz)/d_(yz)轨道劈裂。基于比热、电输运、角分辨光电子能谱(ARPES)多种实验手段测量,我们在HID-FeSe_(1-y)Te_y(0.04≤y≤0.30)样品中未观察到四方到正交(向列)相的对称性破缺特征。并且,我们发现与电子向列序密切相关的高迁移率电子带对于超导电性没有贡献。另外,我们在远高于超导转变温度之上的四方相区发现了一个特征温度T~*,在此T~*温度霍尔系数对温度的依赖关系出现局域最小值。更重要的是我们发现,在整个FeSe_(1-x)S_x-FeSe_(1-y)Te_y体系中,其超导转变温度T_c和霍尔系数的这个凹点温度T~*之间,呈现正相关关系。这表明与非常规超导电性起源有关的物理发生在较高温的四方相区,而不是在较低温的向列相区。(2)FeSe_(1-x)S_x和FeSe_(1-y)Te_y体系中,磁场诱导自旋向列序的鉴定及其影响。面内转角磁阻(AMR)实验表明,等电子替代的FeSe_(1-x)S_x(x=0,0.07,0.13,1)和FeSe_(1-y)Te_y(y=0.06,0.61,1)单晶中普遍存在磁场诱导的自旋向列序。AMR实验的外加磁场最高为9 T,测量的温度范围是15 K到150 K。我们发现,无论样品中存在还是不存在电子向列序(T_s)或反铁磁序(T_N),在降温至一个特征温度T_(sn)((?)T_s/T_N),AMR都呈现出明显的二重各向异性。该特征温度T_(sn)位于四方相区,仅在无替代的FeSe,T_(sn)恰好与向列相变温度T_s重合。这种AMR的二重旋转对称性的出现,是体系中温度依赖的各向异性载流子散射效应的表现,其来源于T_(sn)以下形成的磁场诱导的自旋向列序。在FeSe_(1-x)S_x和FeSe_(1-y)Te_y体系中,这种磁场诱导的自旋向列序是普遍存在的。重要的是,我们发现在向列序的FeSe_(1-x)S_x样品中,磁场诱导的自旋向列序的特征温度T_(sn)随着替代组分x的变化不大,但是电子向列相变温度T_s却迅速降低。这表明对于向列序的FeSe_(1-x)S_x而言,等电子替代导致的电子关联效应减弱,直接影响的是电子向列序,而不是自旋关联。而且我们发现,随着磁场诱导自旋向列序特征温度T_(sn)的增强,FeSe_(1-x)S_x和FeSe_(1-y)Te_y样品的超导转变温度T_c同时受到明显抑制。(3)水热合成的高质量Fe_(1-)dSe单晶薄片中反常的正常态和超导态特性。以前的报道表明,FeSe单晶中的电子向列序在电输运测量上表现为诸多特征。其中包括,其正常态电阻率在结构相变温度T_s附近出现明显扭折,并在很大温区表现为金属行为。其霍尔电阻率对磁场的依赖关系,在TT_s时呈现明显下凹的非线性特征。而且霍尔系数在T_s以下骤降,并发生从正到负变号。这种电子型载流子主导的输运特征,是由于存在与向列序密切相关的高迁移率电子带所致。因此制备出不存在电子向列序的FeSe样品,并与向列序样品对比研究,将对理解超导和电子向列序之间的相互影响极有助益。在这个工作中,我们通过新颖的水热法合成了高质量的Fe_(1-)dSe单晶薄片样品,并且分别在零磁场和高达38.5 T的强磁场下,通过电输运测量研究了它的正常态和超导态(包括上临界磁场)性质。我们发现水热Fe_(1-)dSe正常态电阻率表现出金属-非金属的渡越行为,同时所有上述的电子向列序特征(包括高迁移率电子带)均不存在。例如不存在与结构相变相关的电阻率扭折;非线性霍尔电阻率消失;霍尔系数保持正值,即在此低温下电输运始终是空穴主导的。令人感兴趣的是,相应于电子向列序的消失,水热Fe_(1-)dSe的超导T_c(=13.2 K)相比向列序FeSe的T_c(~9 K),有明显提高。而且,水热Fe_(1-)dSe呈现各向同性的、较高的零温上临界磁场(H_(c2)(0)~42 T),其数值达到泡利极限的1.8倍。此项实验研究提供的新证据表明,FeSe超导体中与电子向列序密切相关的高迁移率电子带,并不利于超导。所以,需要超越其向列相区,以更宽广的视角在四方相区探索非常规超导起源。这与上述第一部分的结果吻合。另外,上临界磁场的实验及拟合结果显示,水热Fe_(1-)dSe具有本征的强轨道极限场和强自旋-轨道相互作用。新合成的优质水热Fe_(1-)dSe样品也为进一步的实验研究提供了优越平台。(4)通过新颖的水热合成方法,在金属单晶衬底上生长得到不同T_c的、高质量的(Li_(1-x)Fe_xOH)FeSe单晶薄膜。得益于导电性很好的衬底,我们首次系统性地研究了不同T_c的(Li_(1-x)Fe_xOH)FeSe体系的c方向电阻率演变行为。我们发现非超导样品的c方向电阻率呈现出绝缘体行为;T_c30 K的薄膜c方向电阻率呈现出半导体行为;T_c30 K的薄膜c方向电阻率随着降温呈现出从非金属到金属的渡越行为,伴随着在T_c之上出现线性电阻率行为。


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