铁基高温超导体“122”体系的输运和磁性质及其相图研究

摘要

超导材料的零电阻和完全抗磁性使其在各个领域的实际应用中具有重要的价值，因此激起了人们探索新的超导材料的兴趣，而超导物理学也随着各种不同类型超导材料的发现而逐渐深入发展。传统超导体的超导转变温度都在40K以下，极大地限制了超导材料的实际应用。直到1986年铜氧化物超导体的出现，使得高温超导研究取得了重大突破，掀起了全世界探索高临界温度超导体及其超导机理的热潮。与传统BCS超导体相比，铜氧化物高温超导体具有很多新奇的物理性质，但直到现在为止，科学家们对这些新奇的物理性质以及铜氧化物高温超导体超导机理的理论描述还没有一个统一的图像。2008年初，日本科学家发现了铁基超导体，之后被证实是第二类高温超导体。铁基超导体的结构与铜氧化物高温超导体类似，超导电性发生在铁基平面上，具有二维的超导结构。考虑到这两类高温超导体的异同，科学家们希望通过对这两类高温超导体进行对比研究，为探究高温超导机制提供一个更清晰的图像。
　　 在本论文中，我们仔细研究了铁基超导体“122”体系Ba1-xKxFe2As2和Ba(Fe1-xCox)2As2系列样品的反常输运性质、热电性质和霍尔角等，给出了超导温度、室温热电势以及霍尔角对温度的幂律依赖随电子和空穴掺杂含量的演化相图。同时我们还仔细测量了Cu掺杂SrFe2As2的系列输运性质，并通过x射线光电子能谱测量了Cu的价态。此外，我们还成功合成了Co和Zn掺杂的In3Cu2VO9系列多晶样品，并仔细研究了它们的结构、磁性和比热性质，讨论了样品的基态随不同掺杂离子的变化。本论文共分为以下六章:
　　 1.高温超导体和自旋阻挫体系简单综述
　　 本章简单回顾了铜氧化物高温超导体的结构、相图及其正常态反常的物理性质，例如线性电阻率、反常的霍尔角以及赝能隙等特点。作为本章的重点，我们详细介绍了铁基高温超导体的几类结构、相图以及异常的输运性质。在这两类高温超导体中，我们还经常观测到两种低能有序态——自旋密度波和电荷密度波，本章对这两种密度波进行了简单的介绍，给出了电荷密度波和自旋密度波态的实验证据，并讨论了这两种密度波与超导之间的关系。最后，我们还简单介绍了几何阻挫和自旋阻挫体系的一些性质。通过这些介绍，我们可以了解高温超导体和磁阻挫体系的一些基本性质。
　　 2.电子和空穴掺杂的BaFe2As2体系的热电性质研究
　　 本章系统的研究了K和Co掺杂的BaFe2As2中的电输运性质和热电性质。这两个体系的电阻率和热电势随着K和Co掺杂含量的变化表现出系统的变化趋势。在这两个体系中，超导温度T(C)对K和Co掺杂含量的依赖关系表现出圆拱形的行为。在Ba1-xKxFe2As2中，室温热电势S300K对掺杂含量的依赖关系表现出圆拱形的行为，但是在BaFe2-xCoxAs2中则随着掺杂含量的增加单调的减小。值得注意的是这两个体系中的超导样品同时具有很大的热电势绝对值和良好的电导率。热电功率因子在低温区域出现一个峰值，意味着该材料在液氮温区热电制冷装置中的可能应用。
　　 3.铁基超导体正常态霍尔角的幂律依赖关系及其与超导的关联性质研究
　　 本章介绍了K-和Co掺杂的BaFe2As2以及NaFe1-xCoxAs的正常态霍尔系数的测量结果。我们发现在结构/自旋密度波相变和超导相变温度以上的温度范围内，K-和Co掺杂的BaFe2As2以及Co掺杂的NaFeAs三个系列的单晶样品的正常态霍尔角都表现出相似的对温度的幂律依赖关系，cotθH∝Tβ。在这三个体系中，幂指数β在母体样品和重欠掺样品中的大小都在4左右，在超导样品中则突然变为3左右。当样品中电子和空穴的掺杂含量从欠掺杂不超导区域向超导区域过渡时，幂指数β的值发生从4至3的突然变化。这些结果显示幂指数β≈3与超导电性密切相关，并且预示着正常态的物理性质与超导电性之间存在关联。这些发现将会使铁基高温超导体的超导机理更加清晰。
　　 4.空穴掺杂的SrFe2-xCuxAs2单晶的结构、磁性、电输运性质研究
　　 本章主要介绍通过自助熔剂方法生长的SrFe2-xCuxAs2系列单晶的结构、磁性及其电输运性质。在室温下，SrCu2As2和SrFe2As2都表现出类似的ThCr2Si2型（122型）的晶体结构，但是它们的磁性质和电输运性质则完全不同。X射线光电子能谱测得的Cu2p谱线位置、金属型电阻率以及正的霍尔系数都表明SrCu2As2是sp带金属，Cu离子处于3d10的电子配置，对应的价态为Cu1+。与SrCu2As2中Cu2p的x射线光电子能谱相比，在SrFe2-xCuxAs2单晶中，Cu2p的谱线位置基本上保持不变，这就说明在SrFe2As2中用部分Cu替换为Fe可能导致了空穴掺杂而不是之前所预期的电子掺杂。尽管结构/自旋密度波转变随着Cu掺杂量的增加而逐渐被压制，但是Cu掺杂并没有引入超导电性。
　　 5.KxFe2-y叫Se2超导体的相图研究
　　 本章主要报道KxFe2-ySe2体系以铁价态作为变量的电子和磁相图。我们通过Bridgman方法合成了不同计量比的KxFe2-ySe2系列单晶样品并通过描电子显微镜确定了每个样品的具体成分。通过成分分析、电阻率、磁化率、热电势以及高分辨透射电子显微镜图像分析，我们发现当以铁价态作为变量时，KxFe2-ySe2系列样品被区分为三个相，分别是一个超导相Ⅱ和两个绝缘体相Ⅰ、Ⅲ，超导相夹在两个绝缘体相中间。而这两个绝缘体相可以用两个具有不同Fe缺位有序的超结构来表征，它们的调制波矢分别是q1=(1/5，3/5，0)和q2=(1/4，3/4，0)，因此绝缘相可能正是来自于Fe缺位有序。通过输运性质测量，我们发现K和Fe含量对该体系的结构和物理性质具有重要影响。超导相Ⅱ具有较高的Fe含量（大约为1.63～1.67）和较低的K含量(～0.74)，而另外两个绝缘相则具有较低的Fe含量(～1.61)。我们同时可以看到，具有较高K含量的绝缘相Ⅲ表现出负的室温热电势，而具有较低K含量的绝缘相Ⅰ则表现出正的室温热电势。在相图区域Ⅱ的样品中，反铁磁序和超导电性是微观相分离的。我们的发现对铁基超导体超导电性的起源和机理提供了新的见解。
　　 6.掺杂的蜂巢品格化合物In3Cu2VO9的磁性研究
　　 本章仔细研究了Co和Zn掺杂的蜂巢晶格化合物In3Cu2VO9的磁性质。In3Cu2VO9的静态磁化率在T0～180K附存在一个很宽的峰，这是低维反铁磁的明显特征，之后随着温度的降低，磁化率在T1～38K和T2～28K附近分别出现另外两个小峰。尽管比热结果显示在温度高于2K以上都没有长程磁序的出现，电子结构和能态分析显示In3Cu2VO9母体的基态是Néel型反铁磁。当Cu离子部分被Co取代时，Co离子引起的杂质散射和磁散射会增强磁性离子之间的磁关联，从而诱导出长程反铁磁序。而用非磁性的Zn离子部分取代Cu离子会减弱磁性粒子之间的磁关联，从而压制反铁磁态。

目录

声明

摘要

第一章 高温超导体和自旋阻挫体系简单综述

§1．1 引言-超导材料的发展

§1．2 铜氧化物高温超导体的结构、相图及其反常物理性质

§1．2．1 铜氧化物高温超导体的结构

§1．2．2 铜氧化物高温超导体的电子态相图

§1．2．3 铜氧化物高温超导体中的反常物理性质

§1．3 铁基高温超导体的结构、相图和反常物理性质

§1．3．1 铁基超导体的结构

§1．3．2 铁基超导体的相图

§1．3．3 铁基超导体超导电性和晶体结构的关联

§1．3．4 铁基高温超导体中异常的霍尔效应

§1．4 自旋密度波(SDW)

§1．4．1 电荷密度波和自旋密度波简介

§1．4．2 自旋密度波的实验证据

§1．4．3 电荷密度波、自旋密度波与超导关系

§1．5 阻挫体系简介

参考文献

第二章 电子和空穴掺杂的BaFe2As2体系的热电性质研究

§2．1 引言

§2．2 实验细节

§2．3 实验结果及讨论

§2．4 本章小结

参考文献

第三章 铁基超导体正常态霍尔角的幂律依赖关系及其与超导的关联性质研究

§3．1 引言

§3．2 实验细节

§3．3 实验结果及讨论

§3．4 本章小结

参考文献

第四章 空穴掺杂的SrFe2-xCuxAs2单晶的结构、磁性、电输运性质研究

§4．1 引言

§4．2 实验细节

§4．3 实验结果及讨论

§4．4 本章小结

参考文献

第五章 KxFe2-ySe2超导体的相图研究

§5．1 引言

§5．2 实验细节

§5．3 实验结果及讨论

§5．4 本章小结

参考文献

第六章 掺杂的蜂巢晶格化合物In3Cu2VO9的磁性研究

§6．1 引言

§6．2 实验细节

§6．3 实验结果及讨论

§6．3．1 比热

§6．4 本章小结

参考文献

博士期间发表的论文

致谢