文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
铁硒超导体的磁性和超导电性研究
姓名:李立
申请学位级别:博士
专业:凝聚态物理
指导教师:张裕恒
2011-04
摘要
——摘要——
超导材料在临界转变温度以下的超导态具有零电阻,从而能够无损失的传输
电流,这一特性具有广阔的应用前景,因而一直备受人们关注。2008 年发现的
铁基超导体为高温超导的研究注入了新的活力。铁基超导材料是一种全新的非常
规超导体,也是除高温铜氧化物超导体之外,又一类转变温度突破了 BCS 理论
预言的麦克米兰极限的高温超导体。这一发现为解开长期存在的高温超导之谜提
供了新的机遇,同时关于这类新高温超导体的研究,也将会对凝聚态物理的许多
领域起到十分重要的推动作用。
以独有的 FeX4 层的阴离子元素区分的话,目前铁基超导体主要包含铁砷超
导体和铁硒超导体两大家族。与前者相比,铁硒超导体由于不含毒性元素 As,
从而使得在实验和应用中更加安全,同时该体系的单晶样品相对容易制备。上述
优点使得铁硒超导体受到了人们的关注和青睐。基于同样原因,我们选择了铁硒
超导体作为研究对象,制备了该类材料的多晶,单晶,薄膜样品,对体系的结构、
常规电磁物性、以及超导电性和磁性质的压力效应都进行了研究,重点考察了其
中的磁性和超导电性之间的相互作用,取得了一些创新性的研究结果。主要的内
容如下:
1. FeSe 多晶样品磁性和超导电性的压力效应研究。FeSe 的超导电性一经发
现,相关报道就指出其超导转变温度在外压下可以提高到 27 K,当时国际上认
为外压通过抑制低温下的结构转变促使超导温度得以提高。我们也立即对该体系
的常规物性和压力效应进行了研究。实验发现,超导转变温度在外加压力下有明
显提高;然而高压下的磁性测量表明,体系的结构转变并没有被抑制,相应的两
个磁性转变温度随着外加压强增大反而明显地往高温移动,这和当时国际上对该
体系的认识相反,表明相比于铁砷超导体,FeSe 超导材料具有其独有的特征。
2. FeSe 薄膜磁性和超导电性的研究。在 FeSe 超导电性被发现以前,用
MOVCD 法制备的 FeSe 薄膜显现铁磁性,能否利用 MOCVD 法制备出超导的
FeSe 薄膜并不清楚。我们利用 MOCVD 方法,成功制备了具有不同元素比例的
高质量 FeSe 薄膜样品,研究发现,超导电性仅存在于 Fe、Se 元素接近标准化学
配比 1:1 的样品中,过量的 Fe 通过引入铁磁性抑制超导电性。这是国际上首次
用 MOCVD 的方法制备出超导的 FeSe 薄膜样品。
3. Fe1+yTe1-xSex 单晶样品超导电性和磁性以电子相分离形式共存。在
Fe1+yTe1-xSex 体系中,Se 替代 Te 产生超导电性的原因不清楚,同时超导与磁性
以什么形式共存也存在争议,我们成功制备了 Fe1+yTe1-xSex 系列单晶样品,并研
究了压力效应对超导电性和磁性的影响,实验发现:随着外加压力的增加,Tc
I
摘要
先提高然后降低,而超导体积比却单调增大。我们的研究结果表明:在弱掺杂区
Fe1+yTe1-xSex 中 Se 替代 Te 和压力效应起着同样的作用;体系中磁性和超导以电
子相分离形式共存,而不是原子尺度上均匀的共存;同时还给出了外加压力通过
抑制磁性,有利于超导电性的直接证据。
4. 单晶样品磁性和超导电性的共存。2010 年底 发
现超导之后,我们率先合成了高质量的 单晶,其超导起始转变温
onset zero
度和零电阻温度分别为 Tc = K 和 Tc = K。与外加压强对超导电性
的抑制不同,S 元素对 Se 位的替代,并没有降低超导转变温度 Tc,这表明在该
体系中,掺杂并不能简单地视为引入了化学内压。电子自旋共振(ESR)的研究
指出,在临近 Tc 以上的温度区域,样品中存在很强的自旋涨落。进一步分析 ESR
谱发现, 体系中存在着明显的超导电性和磁性共存,而伴随着静
磁序的削弱,体系中较强的自旋涨落似乎是超导电性产生的一个重要原因。
关键词:高温超导;铁基超导体;磁性和超导电性的相互作用;自旋涨落;压力
效应
II
Abstract
——Abstract——
A superconducting material can conduct electric current