铁硒基插层材料的制备与物性研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:benmanw
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本论文主要研究了几种插层铁硒材料的晶体结构与基本物性,探索了插层过程中的电荷转移情况,以及其对材料电子结构和基本物性的影响。我们设计合成了几种电子和空穴掺杂的铁硒基超导体,取得了以下进展:首先,借助溶剂热的方法,我们将体积较小的碱金属锂与1,2丙二胺分子共同嵌入到了铁硒层间,成功地在Lix(1,2-C3N2H10)0.37FeSe体系中实现了连续大范围(0.06~0.68)电子掺杂调控,其超导电性呈现出先上升后下降的dome形式,理论计算还表明在此过程中还伴随着两次Lifshitz转变。我们通过研究电子掺杂对于晶体结构的影响,发现随着掺杂量的上升,材料的阴离子高度单调上升,背离了铁砷和铁硒高压结构对应的最优超导阴离子高度(1.38?),Lix(1,2-C3N2H10)0.37FeSe进入了一个不同于铁砷基超导体的新超导相区。基于实验得到的Lix(C3N2H10)0.37FeSe体系晶体结构,我们与他人合作进行了轨道分辨第一性原理计算,结果表明体系的电子关联强度具有很强的轨道选择性,在这一点上与铁砷基超导体相似。我们通过总结铁砷基超导体、加压铁硒以及电子掺杂铁硒中最优超导转变温度与Fet2g轨道有效质量之间的关系,提出了一种提高超导转变温度的方案:通过调节体系的阴离子高度和电子/空穴掺杂量,来获得最大的Fet2g轨道有效质量简并度。其次,我们在研究另一种分子插层铁硒超导体Lix(1,3-C3H0N2)yFeSe时发现,不同于Lix(1,2-C3N2H10)0.37FeSe体系中的连续电子掺杂调控,在1,3-丙二胺(1,3-C3H0N2)插层体系中存在两个分立的超导相,其结构的差异仅仅取决于锂含量。较大分子嵌入到铁硒层间,会使铁硒层间距增大,进而增强体系的二维性,诱发特殊的超导涨落。这种准二维化特性带来的超导涨落反映在两个超导相的电学与磁学测试中。有趣的是,随着测试温度的提高,两个超导相的正常态霍尔电阻都发生了反型,由负值逐渐转变为正值,说明体系中产生了新的空穴载流子。现有的普遍观点认为电子掺杂铁硒材料的空穴费米面是缺失的,其无法产生正值霍尔信号,而我们的实验结果说明大分子插层铁硒与其他电子掺杂铁硒有所区别,分子插层所带来的二维化涨落也许在其中起到了关键作用。进一步的第一性原理计算对比了不同二维化程度对于铁硒基材料电子结构的影响,计算结果证明二维化程度的增强确实会增强体系的空穴费米面,而在电子掺杂和二维化的共同作用下,分子插层铁硒在不同温度下有着截然不同的费米面构型。Lix(1,3-C3H0N2)yFeSe在不同温度下兼具铁硒和铁砷基材料的能带特征,为研究铁基超导体作用机理提供了一个新的平台。插层反应指的是将带电或者中性集团嵌入母体框架中的化学过程。由于同性相斥,异性相吸的基本原理,在阴离子层紧邻的层状母体中进行阴离子插层的反应很难实现。因此空穴掺杂的铁硒基超导体很难制备。我们在水热条件下进行了离子置换反应,将阴离子(S2-或Se2-)嵌入了四方铁硒(FeSe)层间,获得了化学式为(Se/S)x(NH3)yFe2Se2的新型单晶。通过测定Fe原子的氧化态确认了在(Se/S)x(NH3)yFe2Se2中电子从FeSe母体层中转移到嵌入的阴离子层中,整个体系的主要载流子类型转变为空穴。在硫插层样品中我们发现了可调控的超导电性,这是第一例空穴掺杂诱导的铁硒基超导体。同时我们利用相同的方法在四方铁硫(FeS)层与镍硒(NiSe)层中实现了阴离子插层,进一步证明了此方法具有一定普适性。我们的研究结果为类似材料中的阴离子插层研究开辟了道路。
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