重金属元素掺杂对Fe(Se,Te)超导性能影响的研究

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铁基高温超导体是继铜氧高温超导体的一类新型超导体,自2008年发现以来,关于这类超导家族的相关研究便如雨后春笋般相继出现。目前,铁基超导体根据其化学成分可划分为6种不同的结构类别,这些结构有共同的基于铁原子平面层的层状结构,超导体的较高的超导转变温度(Tc)是基于其共同的铁原子层。其中Fe(Te,Se)体系由于其具有最简单的晶体结构和特殊的磁、电等性质而引起了科学界的广泛关注。首先,在Fe Se中,通过用Te替代Se可以系统地调整内部参数,这为深入研究可能的超导机理和拓扑特性提供了一个平台。其次,在超导Fe(Te,Se)的表面观察到了一个非常稳定的(在外磁场下没有分裂)零能束缚态(ZBS),表明其电子结构可能具有拓扑特征,是近年来凝聚态物理的热门研究之一。此外,在具有最简单结构的铁基超导体Fe(Te,Se)体系中,通过改变Te/Se的比例、化学元素掺杂、加高压、减少过量Fe的含量等手段可以实现或提高该体系的超导性能。目前为止,关于该体系的掺杂报道主要都是基于三元化合物的同价元素取代,而关于重金属元素的掺杂的研究还比较少。重金属元素由于具有较大的原子半径,化学掺杂后导致其范德瓦尔斯层间结合力减弱,样品更易于解理。同时,化学掺杂也是调节铁基超导体Fe(Te,Se)相关物理性质(晶格、形貌等)的有效方法。基于以上原因,本文对重金属元素掺杂铁基超导体Fe(Te,Se)做了如下研究:在FeTe0.6Se0.4单晶体中掺杂重金属元素Pb,并对其相关物性进行了分析。实验结果表明:掺杂后样品的单晶性比纯样更好,更易于解理;Pb掺杂后改变FeTe0.6Se0.4单晶的磁性,掺杂样品的磁化曲线在一定的温度范围内表现出铁磁性(FM),5 K、10 K和70 K三个温度下的M-H曲线证实了铁磁相的存在,且从实验上直观地体现了铁磁与超导共存这一现象,而以前的相关报道都是基于其理论的研究。同时,掺杂样品的M-T曲线在130 K左右出现磁异常,磁矩随着温度的降低而增大。分析该磁异常的起源可能与SEM观测到的周期性排列缺陷有关,结合XPS和EDX的测试结果进一步研究缺陷可能是铁的氧化物。为了进一步探究以上结果是否在重金属掺杂中普遍存在,本文对FeTe0.6Se0.4单晶体进行一系列的重金属元素(如W、Pt、Ir等)掺杂。XRD的结果表明,掺杂后的样品单晶性良好,易自然解理。SEM测试发现在W和Ir掺杂的FeTe0.6Se0.4单晶样品中都观察到了明显的缺陷,但在Pt掺杂样品中没有出现明显的缺陷。且在三种元素掺杂的样品中,其M-T曲线在120 K左右均出现了一个小凸起,说明出现了双重转变。结合XPS和EDX结果分析,推测掺杂后样品中的缺陷可能是导致小凸起的原因之一。另一种可能的原因是FeSeTe在120 K左右存在结构转变。此外,与纯的FeTe0.6Se0.4样品相比,Pt掺杂后的样品其超导临界温度(Tc)提高了0.9 K。当H≤1 T时,Pt0.02Fe0.98Te0.6Se0.4样品的超导临界密度(Jc)是纯样品的超导临界密度(Jc)的3倍。当H≥1 T时,Pt0.02Fe0.98Te0.6Se0.4样品的临界电流低于纯样。Pt掺杂后能增强低场下超导态载流子浓度,但会使得钉扎变弱。Ir掺杂后样品的Jc大约是纯样品的2倍,且Jc随着磁场的增加而单调减(H≤3 T)。
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