新型卤化物、插层结构及合金超导体探索

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:fsdafdsfsdsdf
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超导电性是凝聚态物理领域的重要分支,随着新超导体的不断发现,传统的BCS理论已无法解释超导体中的新奇性质。另一方面,在实践中,人们注意到一些化合物更倾向于出现超导电性,即超导常常发生在具有SDW/CDW序的半导体掺杂边缘。在一些结构类型(如A15相合金、钙钛矿型氧化物和层状二硫化物等)中,超导体出现频率较高。本文的研究内容,正是基于已知的超导体合成经验,着手研究了层状BiS2化合物超导体、111型合金TT’X超导体、石墨衍生物的插层超导体以及FeSe插层超导体等。在超导研究的历史中,卤化物的超导体并不多见,这与卤族元素强的电负性有关。然而,通过文献调研我们发现,卤素完全可以在导电化合物中扮演重要角色。卤素除了在一些化合物中担任结构单元外,部分超导体,如Y2C2I2和Mo6S6I2等体系中的卤素也在三维结构中参与导带的构建。在探索BiS2系超导体的过程中,我们得到了新型化合物Bi3O2S2Cl并在其中观测到超导电性,超导转变温度Tc为2.6 K。Bi3O2S2Cl的多晶样品通过固相反应合成,在少数样品的表面,我们也收集到了Bi3O2S2Cl的单晶,对单晶的变温磁化率测量证实了其体超导的特性。由粉末XRD结果的Rietveld精修以及HAADF-STEM图像的分析,我们得出样品含有独特的[BiS2Cl]2-层,这使其有别于其他BiS2系超导体。霍尔效应的测量指出,Bi3O2S2Cl样品中的多数载流子为电子,且其浓度在测量温区变化不大,在275 K时,电子浓度n=9.34×1019 cm-3,这一浓度与典型BiS2系超导体接近,而显著低于一般金属,这提示其可能是一个重掺杂的n型半导体。通过改变合成原料的配比,在S含量较多的样品中,我们实现了半导体母相的合成。合金超导体一直是超导研究的重要方面,一方面,合金超导体大多属于电子-声子耦合的BCS超导体类型;另一方面,相对于氧化物超导体而言,由于其容易加工的特性,在实际应用中更为普遍。其中,111型合金TT’X(T,T’=过渡金属;X=Al,Ga,Si,Ge,Sn,P,As,Sb,Bi等)具有丰富的物理性质,在其中,发现了一大类超导体。我们注意到含有Sc的TT’X型超导体并不多见,从而着手合成了ScRuSi合金并在正交相的o-ScRuSi中发现了超导电性。o-ScRuSi样品通过元素的氩气氛下电弧制备,其超导Tc为3.1 K,Hc1=14 Oe,Hc2=8700Oe。变温磁化率和比热测量证实了样品的体超导性,且表明其很可能属于弱耦合的BCS超导体。它是第一个含有Sc元素的Co2P型合金超导体化合物。另外,通过高温退火,超导的o-ScRuSi相完全转化为不超导的六角相h-ScRuSi,这是该化合物相变的首次报道。近年新发现的超导化合物中,有相当部分的超导体属于插层结构,例如ThCr2Si2型的铁基超导体、碱金属—氨插层的FeSe、碱金属插层石墨以及碱金属插层芳香烃化合物等。事实上,碱金属插层可以将很多半导体/绝缘体转化为超导体。基于此背景,我们进行了氟化石墨的插层研究,用于插层的物质有:碱金属(Li,Na,K)、有机胺类(乙二胺、丁二胺、辛二胺和十二胺)、吡啶和二茂铁等。在部分插层实验中,我们得到了层间距扩大的相,并在Li和Na的插层产物中观测到超导电性。Li的插层产物超导转变温度为4.8 K或8 K,超导体积分数最高为Na的插层产物超导转变温度为4.8 K。新发现的超导体在空气和水中稳定,与已知的石墨插层超导体有明显不同,这一良好的稳定性使得CF插层超导体具有更广阔的研究前景。在水热法插层FeSe的实验中,我们发现了一个新的插层相,在其中没有金属离子参与。EDX测量证实产物中没有碱金属元素,这是首个有关氨/铵插层FeSe的报道。XRD图谱显示层间距为8?,与用液氨法合成的碱金属插层化合物接近。插层化合物的电阻率测量表明它是颗粒状金属/半金属,而磁化率测量显示其没有长程磁有序,且其具有低的局域磁矩。氨/铵插层FeSe化合物很可能是碱金属插层FeSe超导体的母体化合物。
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