新型Eu112铁基体系及相关结构超导探索

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:zyq201314
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2008年,铁基超导体的发现迅速掀起了新一轮的高温超导研究热潮。铁基超导材料主要包括铁的磷族化合物和铁的硫属化合物。其中,磷族化合物中的铁砷基超导母体材料在低温下通常处于反铁磁有序态。一旦通过载流子掺杂或者施加压力压制了这种反铁磁序,就可以诱发超导电性。反铁磁序和超导态之间往往表现出相互竞争的关系。并且,在超导转变温度随掺杂量增加逐渐达到最高点的过程中,反铁磁序将被完全破坏。但是,在2013年底发现的Ca112型铁基超导体(Ca,La)FeAs2中观察到了反铁磁序始终伴随超导态的新奇现象。Ca112型铁基超导体具有高温超导材料中不常见的单斜结构。Ca112型铁基超导体的结构可以简单理解成将CaFe2As2结构中的一个FeAs层替换成―之‖字形As链组成的独立的As平面。通过La、Sb的共掺杂,体系的超导转变温度可以达到47 K。核磁共振研究发现,在Ca1-xLaxFeAs2(x≥0.15)中,Fe2+离子的反铁磁序始终伴随着超导电性的出现,甚至在过掺杂区域超导被压制后,Fe2+离子的反铁磁序反而出现了增强。这一结果给出了与其他铁基超导体系的掺杂完全不同的超导相图。令人遗憾的是,所有Ca112型铁基材料都是稀土掺杂的,始终没有人能合成出母体的CaFeAs2,因此(Ca,RE)FeAs2的掺杂相图只能完成一半,在低掺杂区域以及母体中的情况一直都是未知的。缺少母体材料的问题也给体系研究带来了很大的制约。本文通过将Ca替换成Eu,首次得到了Eu112型铁基超导母体材料EuFeAs2。通过大量尝试,最终采用CsCl做助熔剂,成功生长出了纯相的EuFeAs2单晶样品。选取100μm级的单晶片做X射线单晶衍射分析,精修得到了空间群为Imm2的正交晶体结构。相对于空间群为P21/m的(Ca,La)FeAs2的结构,Eu FeAs2的结构发生了畸变,但独立的As平面依旧是由―之‖字形As链平铺而成。选取高质量的单晶进行物性测量,分析电输运、磁性以及比热的测量结果,我们认为EuFeAs2在低温下存在三个相变,分别是106 K的结构相变、93 K的Fe的反铁磁相变,和45 K的Eu的反铁磁相变。我们利用2 GPa级别的静水压装置对EuFeAs2单晶样品进行了压力下电输运研究。发现随着压力的增加,结构相变与Fe的反铁磁相变温度逐渐下降,Eu的反铁磁相变温度轻微上升。2.11 GPa范围内没有观察到超导电性。为了在Eu112体系中诱发超导电性并研究超导转变的根源,我们对母体材料EuFeAs2进行了掺杂研究。我们首先对Eu位进行稀土La的掺杂研究。掺杂之后Fe2+离子的反铁磁序、Eu2+离子的反铁磁序都在一定程度上被压制,并且出现超导电性。越过最佳掺杂点之后,两个反铁磁序都不能被完全压制,形成一个反铁磁相完全覆盖超导相的共存区域。为了研究超导层掺杂对Fe2+离子的反铁磁序和超导的影响,我们对EuFeAs2进行了Co掺杂研究。掺杂量达到0.03时,Fe2+离子的反铁磁序被大幅压制,同时得到了13 K的超导转变;掺杂量达到0.1时,超导转变温度提高到了28 K。Eu位的La掺杂无法完全破坏Fe2+离子的反铁磁序,并且得到的超导转变温度较低;而Fe位的Co掺杂能够迅速压制Fe2+离子的反铁磁序,并且得到较高的超导转变温度。两种截然不同的掺杂效果从侧面说明Eu112体系Fe2+离子的反铁磁序对超导的抑制作用,这一点与常见的铁基超导体系超导态和反铁磁序之间的竞争关系一致。我们还对相关结构的铁基超导材料Ca10PtnAs8(Fe2As25(n=3,4)进行了Ca位的稀土Sm掺杂研究。在n=3的体系中,不掺杂样品超导转变温度为13K,掺杂20%的Sm之后,超导转变温度提高到了22 K。在n=4的体系中,不掺杂样品超导转变温度为22 K,掺杂20%的Sm之后,超导转变温度下降到了12 K。此外,我们还进行了具有层间范德瓦尔斯作用的层状材料的插层研究。以Sr2CuO2Cl2为例,介绍一种采用有机溶剂浸泡的方法实现碱金属插层的方法。对于Sr2CuO2Cl2,双Cl层之间存在范德瓦尔斯作用,碱金属插层使得晶格发生膨胀,并且碱金属插入后为超导层提供电子,成功诱发了Tc5 K的超导转变。综上所述,我们合成了新的铁基超导母体材料EuFeAs2,突破了Ca112体系母体缺失对体系超导研究的限制。在此基础上,分别通过La和Co的掺杂研究了体系基本性质随掺杂的演变,发现在Eu位掺杂La无法完全压制体系Fe的反铁磁序,而在Fe位掺杂Co则可以迅速破坏Fe的反铁磁序,并且诱发转变温度高于前者的超导电性。此外,我们还对Ca10PtnAs8(Fe2As25(n=3,4)进行了Ca位的稀土Sm掺杂研究,发现对于n=3的体系,Sm的掺杂可以提高超导转变温度;对于n=4的体系,Sm的掺杂对超导产生了压制的作用。我们还对具有层间范德瓦尔斯作用的Sr2CuO2Cl2进行了碱金属插层研究,得到了Tc5 K的碱金属插层超导体。
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