水热法制备FeSe1-xSx超导单晶及其电、磁性质研究

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FeSe作为结构最简单的铁基超导体,由于基态不存在长程磁有序,在结构相变处伴随着电子液晶相的转变,使其成为研究电子液晶相与非常规超导电性之间关联的重要载体。通过等价位S元素掺杂,FeSe1-xSx的液晶相随着S掺杂浓度被逐渐抑制,并在量子临界点(x~0.17)附近液晶相完全消失,超导能隙结构也发生了显著变化,表明液晶相与超导电子配对之间有着重要关联。但遗憾的是,传统的固相反应法和气相传输法无法制备出高S掺杂浓度的FeSe1-xSx样品,限制了对该体系进一步的物性研究。本论文通过改进的水热反应法生长出一系列不同S掺杂比例的FeSe1-xSx(0≤x≤1)单晶样品,并对其进行了详细的结构及物性表征,系统研究了其与超导电性相关的电输运和磁性质,具体内容如下:(1)首先,以K0.8Fe1.6Se0.7S1.3单晶作为前驱物通过优化的水热工艺制备出四方相的FeSe0.36S0.64单晶,晶格常数c=5.1884(?)。电阻率测量结果表明,其超导转变温度Tc~5 K,零电阻温度与磁化率抗磁信号出现时的温度相一致,都为3.8 K,剩余电阻率比值RRR=ρ(300 K)/ρ(5 K)≈5.5。根据WHH模型计算得到的上临界场分别为H c2ab(0)=11 T,Hcc2(0)=2.3 T,临界场各向异性Γ≈4.8。霍尔效应和磁电阻测量结果分别表明,FeSe0.36S0.64单晶的电输运行为受电子型载流子的主导,但霍尔系数表现为非单调的变化行为,磁电阻明显违背Kohler定理的标度,说明FeSe0.36S0.64是具有多带效应的超导体。(2)通过优化水热反应法,使用一系列不同S掺杂比例的K0.8Fe1.6Se2-x Sx(0≤x≤2)单晶作为前驱物,调控水热反应中的硒脲和硫脲的相对含量,成功制备出不同S掺杂比例的水热FeSe1-xSx(0≤x≤1)单晶样品。这种可调控的水热法能在合成其它高质量层状单晶样品上,尤其是固相法无法生长的样品上提供有益参考。结构表征显示,随着S掺杂浓度的逐渐增加,XRD衍射峰表现为系统的右移,晶格常数c从5.53(?)(FeSe)逐渐线性递减到5.03(?)(FeS)。通过对FeSe1-xSx单晶详细的电输运表征,所有样品都表现出超导电性,超导转变温度随掺杂浓度呈现为V字型,并首次在中度S掺杂FeSe1-xSx(0.32≤x≤0.86)单晶电阻率曲线中观测到常压下低温区电阻率的上翘行为。基于以上结果得到超导转变温度Tc、电阻率局域最小值T*、霍尔系数局域最大值Tp与掺杂量x变化关系的x-T相图。V字型的x-Tc关系与圆拱形状的x-T*、x-Tp关系之间呈现出的典型竞争关系表明,FeSe1-xSx单晶电阻率的本征上翘行为与FeSe、低S含量FeSe1-xSx物理高压下和FeSe1-xSx薄膜的电阻率行为相一致,都可能源自于S掺杂引入的正压力造成的反铁磁有序。
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