“12442”型铁基超导体的发现与物性

论文摘要

铜氧化物超导体和铁基超导体是迄今为止仅有的两类在常压下展现高温超导电性的超导材料。两者的晶体结构均为准二维的超导活性层（CuO2面和Fe2X2层,XXX为磷族或硫族元素）与其他间隔层堆叠而成。这种结构特性使得我们有可能通过结构设计的方式,将超导活性层与不同的块层进行组合,以合成具有不同物性的新型高温超导体。至今为止报道的铁基超导体所具有的Fe2X2层,要么是被绝缘层分隔的Fe2As2单层（如以LaFeAsO为代表的1111型）,要么是由单原子层所连结的无限多层（如以BaFe2As2为代表的122型）,或者直接以范德瓦尔斯力维系（如以Fe2Se2为代表的11型）,而类似铜氧化物超导体中常见的双Cu02面结构（如La1-xSrxCaCu2O6）却未曾发现。本文采用结构设计的探索思路,最终合成了 一系列含有双Fe2As2层的12442型铁基超导体。本文总结了形成交生结构的经验规律。在此基础上,设计并合成了由ThCr2Si2结构的AfkFe2As2（Afk=K,Rb,Cs）与ZrCuSiAs结构的CaFeAsF或LnFeAsO（Ln 为镧系元素）交生而成的共计18个12442型铁基超导体AkCa2Fe4 As4F2和AkLn2Fe4 As402。这些12442型化合物具有独特的双Fe2As2层结构,双Fe2As2层内由碱金属离子Ak+连结,并在层间被绝缘的[Ca2F2]2+层或[Ln2O2]2+层所分隔。12442型铁基超导体由重空穴掺杂的AkFe2As2（0.5hole/Fe）与无掺杂的1111型母体材料交生而成,具有0.25 hole/Fe的空穴自掺杂浓度,因此无需额外掺杂即呈现出28-37 K的大块超导电性。我们详细考察了双Fe2As2层的As离子距离Fe面的高度及As-Fe-As键角与超导转变温度（Tc）之间的关系,发现Tc的变化趋势并不能用在过去的铁基超导体中广为引用的经验关系来解释。12442型铁基超导体的双Fe2As2层结构具有层内间距dintra和层间间距dinter两个新的特征参数,我们发现层内距离dintra越小,则Tc越高,这意味着双Fe2As2层层内的耦合对超导转变有积极作用。我们用CsAs助熔剂生长出了高质量的CsCa2Fe4As4F2单晶。通过电阻率和直流磁化率的测量,我们发现CsCa2Fe4As4F2具有极大的各向异性。层内电阻率ρab与层间电阻率ρc在幅值与行为上均有巨大差异。ρab为金属行为,而ρc随着温度下降经历了非金属到金属行为的转变。且ρab的超导初转变温度Tconset比ρc高出0.7 K,这是由强烈的二维超导涨落引起。对Tc的超导上临界场数据进行分析,我们发现OK下c方向的超导相干长度ζc（0）仅为3.6A,显著小于Fe2As2层之间的距离,表明CsCa2Fe4As4F2是一个准二维的铁基超导体。CsCa2Fe4As4F2的各向异性超过绝大多数铁基超导体,而与铜氧化物超导体有类似之处,表明二维性对高温超导电性具有重要作用。我们认为CsCa2Fe4As4F2巨大的各向异性可能来自于12442型铁基超导体独特的电子结构。根据交生结构的形成规律,本文在最后预测了数种可能被合成的12442型铁基超导新材料:CsTh2Fe4As4（N,O）2,AkCa2Fe4As4H2（Ak=K,Rb,Cs）,AkAt2Fe4As4O2（Afk=K,Rb,Cs;At=Np,Pu）和CsGd2Fe4P402。这些化合物可能在合适的条件下被合成出来。

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 王志成

导师: 曹光旱

关键词: 交生结构,双铁砷层,自掺杂,铁基超导电性,各向异性,结构设计

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 浙江大学

分类号: O511.3

总页数: 94

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