铁基超导体122型Ca1-xRExFe2As2和112型Ca1-xRExFeAs2电、磁性质研究

摘要

铁基超导体由于种类繁多、物理现象丰富、以及潜在的应用前景，自其发现以来就受到了科学家们的广泛关注。稀土元素电子掺杂的122型Ca1-xRExFe2As2超导体Tc可达49K，是铁基体材料中除1111体系外转变温度最高的一类超导体，比同结构的空穴型超导体Ba1-xKxFe2As2(最高Tmaxc～38K)和同样稀土掺杂、同结构的Sr1-xRExFe2As2(Tmaxc～22 K)都高出很多，其异常的高Tc超导起源引发了研究人员强烈的研究兴趣。新型112体系超导体Ca1-xRExFeAs2也具有超过40K的超导电性，加之其独特的单斜晶格和FeAs层之间额外的可能具有拓扑性质的Zig-Zag型As链结构，吸引了很多研究者的关注。本论文以122体系Ca1-xRExFe2As2和112体系Ca1-xRExFeAs2两类超导体为研究对象，详细研究了其超导电性相关的电、磁性质。
　　本论文第一章为绪论，首先简单介绍了超导电性相关的基本知识，其次对铁基超导体的一般性质进行了概述，最后分别重点阐述了铁基122体系Ca1-xExFe2As2和112体系Ca1-xRExFeAs2两类超导体目前的研究现状。
　　第二章介绍了本论文所涉及单晶样品的生长方法、样品结构和成分表征手段、电和磁的测量方案、以及高压电学和磁学测量装置。
　　第三章首先通过电、磁测量发现了122体系Ca1-xLaxFe2As2中两个超导相，建立了完整的La掺杂相图。其次，通过外磁场下转角的电阻率测量实验发现CaLa122中高Tc超导电性具有很大的磁各向异性，而且角度相关的上临界磁场符合极薄薄膜中的Tinkham公式，证明了高Tc超导电性二维性的本质。最后，我们通过过渡金属元素(Co，Ni)替代引入电子掺杂的方式，激发了低La含量、无高Tc的Ca1-xLaxFe2As2中35 K的超导电性，并且发现Co和Ni掺杂的电子相图可以标度到一条曲线，高Tc超导电性随电子掺杂在一定的范围内保持不变，这一性质与La2CuO4-La2-xSrxCuO4双层膜系统中的界面超导十分相似，结合高Tc超导电性具有二维性的本质，我们的结果支持CaRE122高Tc超导起源于界面效应的观点。
　　第四章研究了112体系Ca1-xRExFeAs2超导体各向异性上临界磁场、热激活能和临界电流密度，发现112体系超导体的临界磁场各向异性介于比较各向同性的122体系和各向异性适中的1111体系之间。
　　第五章我们在Co元素共掺的Ca1-xLaxFeAs2单晶中发现了磁化第二峰现象，并进行了系统的磁通动力学研究，发现该化合物中第二峰的出现与磁通蠕动弹性到塑性的转变紧密相关。我们讨论了这种磁通蠕动弹性到塑性转变引起的第二峰效应中相关的影响因素。
　　第六章研究了112体系单晶的压力效应。对正常态存在反铁磁的样品，超导Tc随压力增加先减小后增大，表现V字状压力相图。而对仅仅表现超导的样品，超导Tc随压力增加先增加后降低，形成dome状超导相图。通过压力下的Hall效应测量证明了增加压力相当于增加费米面中电子载流子的比重，与La掺杂效果一致。但是，与La掺杂不同的是，整个加压过程（远超过超导完全抑制压力值范围内）中，电阻率温度曲线未发现与反铁磁相变相关联的异常行为。另外，当样品存在超导电性时，其正常态表现对费米液体行为明显的偏离，而当压力完全抑制超导后，样品正常态恢复常规的费米液体行为。
　　第七章对全文研究内容进行了总结。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超导电性发展概述

1．1．1 超导电性发现及一些基木性质

1．1．2 传统BCS超导体和非常规超导体

1．2 铁基超导体研究概述

1．2．1 铁基超导体的分类和品体结构

1．2．2 铁基超导体基本物理性质和电子相图

1．2．3 铁基超导体的能带结构和配对机理

1．3 122型铁基超导体Ca1-xRExFe2As2研究概述

1．3．1 Ca1-xRExFe2As2超导体的发现及相关物理现象

1．3．2 Ca1-xRExFe2As2中高Tc超导电性起源争论

1．4 新型112型铁基超导体Ca1-xRExFeAs2研究概述

1．4．1 新型112型Ca1-xRExFeAs2超导体的发现厦物理性质研究

1．4．2 112型铁基超导体Ca1-xRExFeAs2电子相图

1．5 本论文内容安排

第二章 实验

2．1 单晶样品制备

2．2 结构和元素组分表征

2．2．1 XRD晶体结构表征

2．2．2 SEM形貌和EDS元素成分分析

2．3 传输及磁化测量

2．3．1 电阻率、磁电阻和Hall系数测量

2．3．2 磁测量

2．4 高压测量

2．4．1 活塞型电学等静压力测量

2．4．2 金刚石对顶型电学准静压力测量

2．4．3 压力下磁性测量

第三章 122型铁基超导体Ca1-xRExFe2As2相图及异常高Tc超导电性起源研究

3．1 Ca1-xRExFe2As2电子相图

3．1．1 两个non-bulk超导相

3．1．2 电子掺杂相图

3．2 Ca1-xLaxFe2As2中高Tc超导电性起源

3．2．1 巨大磁场角度相关的各向异性(2D超导电性)

3．2．2 过渡金属元素(Co,Ni)替代效应

3．2．3 缺陷引发的界面超导电性

3．3 小结

第四章 新型112型铁基超导体Ca1-xRExFeAs2各向异性超导电性

4．1 Ca1-xLaxFeAs2(x～0．18)中各向异性超导电性

4．1．1 上临界磁场各向异性

4．1．2 热檄活能各向异性

4．1．3 临界电流密度各向异性

4．2 小结

第五章 Co元素共掺的Ca1-xLaxFeAs2中磁化曲线第二峰效应研究

5．1 Fe位Co元素替代对Ca1-xLaxFeAs2超导电性均匀性的改善

5．2 新型112体系中磁化第二峰效应

5．3 磁通动力学研究

5．3．1 静态和动态磁弛豫

5．2．2 弹性到塑性磁通蠕动过渡

5．3．3 磁通相图

5．4 磁通钉扎机理研究

5．5 小结

第六章 112型超导体高压下电学性质研究

6．1 压力相图

6．2 压力下正常态的非费米液体行为

6．3 小结

第七章 总结

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢