铁基超导体Li1-xFe(OH)Fe1-ySe及BaFe2S3-xSex的超导特性研究

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自从2008年铁基超导体LaFeAsO1-xFx发现以来,铁基超导材料一直是近年来人们研究的热点。通过掺杂和替换可以将铁基超导体的超导转变温度提高到55K以上,但其超导机理无法用BCS理论解释,因此人们不断利用多种研究手段对铁基超导体进行各种测量以探究其超导机理。我们通过水热法和布里奇曼法合成了一系列的超导样品,并利用同步辐射X射线单晶及粉末衍射实验方法、中子衍射实验方法、高压同步辐射角色散X射线粉末衍射以及高压原位电阻测量方法对样品进行了测量。  论文前三章主要介绍超导研究的历史与相关技术方法。其中第一章主要介绍了超导现象的发现以及超导理论模型的建立,并介绍了非传统超导体中的铜基超导体和铁基超导体的发展状况。第二章从物质的宏观物理和化学性质与其微观晶体结构密切相关出发,介绍探究晶体结构的各种实验方法和适用条件。测量方法包括同步辐射X射线粉末衍射实验技术、同步辐射X射线单晶衍射实验技术、高压同步辐射角色散X射线粉末衍射和中子衍射实验技术。第三章介绍了两种高压技术,即金刚石对顶砧压腔技术和原位高压电阻测量技术。压力可以改变原子(分子)之间的距离,增加相邻电子轨道的重叠,从而改变物质的晶体结构和电子结构。对于超导的样品,压力会起到改变样品的超导电性的作用。因此,高压实验技术方法在超导研究中具有独特的特点,在超导物理的发展中起到了重要的作用。  第四章主要介绍了两种化学合成铁基超导材料的方法,即水热合成法和锂化反应方法。内容上主要分为两个部分:第一部分介绍了利用水热法合成了一系列Li1-xFex(HO)Fe2-ySe2(x~0.2;0.02<y<0.15)样品,其中各组分中铁硒层中铁的占位率不同。通过同步辐射X射线单晶和粉末衍射、中子粉末衍射和磁化率测量实验,我们可以确定该系列样品中,各超导组分样品(最高超导转变温度为40K)的铁硒层中铁原子占位率是调节各组分晶体结构和超导转变温度的重要因素。超导组分样品铁硒层中铁的空位很少(y<0.05)。通过X射线吸收谱实验超导组分的样品,铁硒层中铁的价态略小于+2价。而非超导组分的样品,其铁硒层中铁的空位较多且化合价较高。第二部分介绍了利用非超导的组分和超导温度较低的组分,在液氨和金属锂的作用下进行了锂化反应,发现非超导组分变成超导组分,超导组分的超导转变温度升高,而且两个组分样品的超导转变温度都提高到了40K以上。通过中子衍射实验和吸收谱实验,我们发现锂化反应使得样品铁硒层中铁的空位率降低、化合价升高。由于反应过程中没有引入新的铁元素,则证明锂化反应的过程中,Li1-xFex(HO)层的铁转移到了铁硒层中铁的空位上来,而金属锂在液氨的作用下进入了Li1-xFex(HO)层中铁的空位上。  第五章主要介绍了利用压力改变准一维结构的铁基样品BaFe2S3-xSex(x=0.5,2)的晶体结构和电学性质。主要分为两个部分,第一部分主要介绍了化学掺杂与施加外部压力对于改变BaFe2S3-xSex晶体结构具有等效性,通过同一主族元素的掺杂和替换,从样品BaFe2SSe2到样品BaFe2S2.5Se0.5,即将部分Se离子替换成S离子,在不改变载流子浓度的情况下增加材料内部化学压力,从对称性较低的简单正交相Pnma变成了对称性较高的底心正交相Cmcm。对比压力下BaFe2SSe2衍射图谱分析结果,在压力的作用下样品BaFe2SSe2的对称性发生变化,在约为12.5GPa时,样品BaFe2SSe2同样从简单正交相变成了底心正交相。通过衍射数据的分析,加压的过程中和化学掺杂的过程中,原子位点的变化过程是相同的。因此我们可以认为外部的施加物理压力与通过化学掺杂改变晶体内部压力具有等效作用。第二部分介绍了通过对比BaFe2S3和BaFe2S2.5Se0.5压力下电阻率随温度的变化曲线,可知BaFe2S3在压力为10.1GPa时发生金属绝——缘体转变,随之出现超导相。对于掺杂的样品BaFe2S2.5Se0.5在11.6GPa压力下也会出现了绝缘体——金属相变,但是继续加压没有出现超导相。因此可以确定是Se的掺杂改变了BaFe2S3的电学性质,使得样品在压力下的超导相消失。
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