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本文系统探索研究了两类新型量子功能材料,包括“111”型铁基超导体新组元LiFeP的发现和基本物性以及Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族稀磁半导体Li(Zn,Mn)As及Li(Zn,Mn)P的发现和基本物理性质研究。主要内容包括:
一、参与本组对超导新体系“111”型铁基超导体的研究,发现了“111”超导体系新组元LiFeP,其超导临界温度(TC)~6K。此化合物的晶体结构与LiFeAs类似,同为Cu2Sb型结构,是目前为止“111”型体系中唯一的不含As元素的组员。LiFeP为顺磁金属,电子巡游特性较强,其P-Fe-P键角和P距Fe平面的垂直距离均对应铁基超导体的理想参量,。原位高压同步辐射X-ray衍射实验表明材料在压力达12GPa时晶体结构仍然稳定,原位高压电阻和磁性测量观察到TC随压力增加而线性下降,变化率为dTC(p)/dp=-1.23K/Gpa。
二、开展新型稀磁半导体的探索与研究,发现了基于Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族元素的新型稀磁半导体Li(Zn,Mn)As。经典的磁性半导体(Ga,Mn)As由于化学价态平衡浓度的限制,只能以二维薄膜的形式研制,通过Mn元素替代而只能实现空穴掺杂。LiZnAs与GaAs结构相似,等价的(Zn,Mn)替换使得Li(Zn,Mn)As在体材料中就可以实现较大的掺杂浓度,而理论上通过控制Li的含量也能控制载流子的类型和浓度,这使得Li(zn,Mn)As成为可实现白旋和电荷注入机制分离且可能同时实现p型和n型稀磁半导体的理想候选材料。我们制备的Li1+y(Zn1-xMnx)As体材料可以实现掺杂范围为-0.1<y<0.2,x<0.15,最高空穴型载流子浓度为1020cm-3,得到了最高居里温度(TC)为50K的体样品,矫顽力小于100Oe,饱和磁矩可达3.01μB/Mn,最大有效磁矩为5.1μB/Mn。
Li(Zn,Mn)P是在Li(Zn,Mn)As基础上发现的另一个稀磁半导体,我们得到最高TC为34K,矫顽力约为50Oe;最大饱和磁矩为1.6μB/Mn,最大有效磁矩为4.4μB/Mn,Li(Zn,Mn)P的有效磁矩小于理论值。电输运测量表明,所有Li(Zn,Mn)P样品均为空穴型半导体,Li1.04(Zn,Mn)P系列样品的载流子浓度为1017cm-3。