Fe1.01Se0.4Te0.6单晶的超导电性研究_结构相变

论文导读:：而单晶样品可以很好的解决以上问题。显示样品发生一个结构相变。电输运和磁化测量以及应变测量。
关键词：FeSe超导体，单晶，结构相变，应变测量

 

一、引 言

2008年Hosono等发现LaFeAsO_1-xF_x具有26K^[1]的超导转变之后，全世界掀起了一股铁基超导热，在短短的几个月内关于铁基超导的报道大量涌现，在REFeAsO_1-xF_x(RE= Sm, Nd, Pr, Ce, La) (1111-体系)中，最高超导转变温度达到55K^[2]，在Ba_1-xK_xFe₂As₂(122-体系)中超导温度也达到了38K^[3]，同时在LiFeAs(111-体系)以及Fe_1+xSe(11-体系)中也分别出现了18K^[4]以及8 K^[5]的超导现象。与铜氧化物高温超导体相比，铁基超导体也具有类似于CuO₂层的FeAs/(Se,Te)层状结构，其作用是作为载流子的传导层。不过与铜氧化物母体从反铁磁型的Mott绝缘体中通过掺杂来产生超导电性不同，铁基超导体更像是在抑制金属性基态后产生超导电性^[6]。由于多晶样品通常含有杂相和晶界，这不利于进一步研究样品结构和电性以及超导之间的关系，而单晶样品可以很好的解决以上问题。之前报道了不少单晶生长的方法，包括Bridgeman方法^[6,7,8]、自助溶剂法^[8]和光学浮区炉法^[9]等。其中Bridgeman方法和光学浮区炉法生长得到样品的超导体积分数比较小，而采用自助溶剂法可以较好地解决这个问题。

由于Fe_1+ySe_xTe_1-x体系具有结构简单、不含As、容易生长较高质量的单晶等优点免费论文下载，本文通过自助溶剂法生长Fe_1.01Se_0.4Te_0.6单晶，并且对得到的单晶进行结构分析、成份分析，电输运和磁化测量以及应变测量，研究其超导电性，并与退火样品进行比较。

二、实验方法

本实验所用单晶样品采用自助溶剂法生长。首先将铁粉(99%)、硒粉(99.99%)和碲粉(99.999%)按照1.01:0.4:0.6的配比在手套箱里混合研磨均匀；其次将研磨后的粉末在60MPa的等静压力下把粉末压成棒状，并将压成的棒封装到双层石英管里面，石英管内保护气体压强小于5Pa；随后将封装在双层石英管的样品在950℃保温48小时，然后以1℃/小时的速率降温至600℃，最后在400℃保温24小时。得到单晶样品的大小为8mm×8mm×20mm左右，而且很容易将样品沿c方向剥离成片状，剥离面具有很亮的金属光泽。我们取一小块剥离下来的样品在400℃进行48小时的退火后作为对比样品。

样品结构分析采用日本理学公司生产的D/max-2550X射线衍射仪，表面和成分分析采用日本电子公司生产的JEOLLSM-6700场发射扫描电子显微镜(FESEM)。电阻率以及直流磁化测量实验是在综合物性测量系统(PPMS,Quantum Design)进行的，应变测量采用连接到PPMS上的TDS-102应变仪测得，PPMS提供测量时变化的温度等环境。

三、结果与讨论

图1(a)是单晶样品剥离面的X射线衍射图，可以看出只有(00 l)方向上的衍射峰，表明单晶样品具有很好的ab-面方向的剥离面；劳厄衍射 (图1. b)也证明了剥离面垂直于c轴，单晶具有很好的方向性。X射线能谱分析(EDS)(图1.c和d)显示所生长的单晶样品实际成分为Fe_1.01Se_0.38Te_0.62，而退火后变为Fe_1.06Se_0.34Te_0.66，其中的插图(SEM)中看到的小亮斑，可能是过量的Fe引起的。

退火前后两个样品的电阻率随温度的变化在图2(a)中给出，退火后样品的电阻率比退火前的电阻率要大30倍左右。在此，先定义三个特征温度：超导转变开始温度T_c^onset，超导转变中间温度T_c^mid和超导转变结束温度T_c^offset，分别对应于正常态(T=15K)电阻率的90%，50%和10%。退火前的样品，起始转变温度T_c^onset=14.5 K，零电阻温度T_c^zero=11.0 K，而退火后的样品T_c^onset=14.5 K免费论文下载，零电阻温度T_c^zero=7.0 K。由于退火之后的样品Fe含量的增加，导致了电阻率变大。同时，由于Fe原子磁矩对样品的超导电性有抑制作用，因此零电阻温度T_c^zero降低。在不同外加磁场的条件下，在图2(b)和图2(c)中，给出了退火前后ab-面内的电阻率随温度的变化，发现退火后样品的零电阻温度T_c^zero随着磁场的加大明显降低。图2.(d)给出了对应于这三个特征温度的上临界场随温度的变化，从图中可以得到三条曲线的斜率dH/dT。对于退火前的样品，三个斜率分别为dH/dT=-11.9T/K，dH/dT =-8.6 T/K和dH/dT =-6.9 T/K。对于退火之后的样品，斜率变为dH/dT=-12.0T/K，dH/dT =-7.7 T/K和dH/dT =-5.1 T/K，用WHH(Werthamer-Helfand-Hohenberg)近似估算得到T=0K时退火前后样品的上临界场分别为μ₀H_c2(0)=83.2T和μ₀H_c2(0)=61.3T，这两个上临界场的值都大于先前报道的实验结果^[10,11]。退火后样品的μ₀H_c2(T)-T曲线在低场(0T附近)时出现的上翘行为是类似“二流体”性质的表现^[12]。退火前样品对应于T_c^offset的μ₀H_c2(T)-T曲线也出现类似的情况，表明样品中包含一定比例的非超导相。

退火前后两样品的ab-面内以及垂直于ab-面的直流磁化随温度变化的曲线如图3(a)所示，外加磁场为100Oe，温度区间为3-300K。插图给出了低温部分的放大，可见两者在40K附近都出现磁化下降的现象，而退火前样品的零场冷曲线在120K附近还出现一个明显的磁化台阶变化。40K 附近的磁化下降可能是过量的Fe导致的，过量Fe在单晶中的存在形式可以是纳米尺寸Fe颗粒(见SEM图片中的亮点)。Hernando等人^[13]报道过Fe纳米颗粒在50K附近出现自旋磁矩的冻结，这可能是导致在40K磁化下降的原因。为了对比，我们将低温部分的电阻率-温度曲线与磁化-温度曲线放在一起作为比较(图3.b)，可以看出退火前后样品的超导转变温度在电阻率和磁化测量上表现具有很好的一致性。

铁基超导体的母体化合物在随温度降低的过程中均出现自旋密度波(SDW)或者结构相变，而且随着电子或空穴掺杂会被抑制，同时诱发超导现象。1111-体系和122-体系母体化合物的SDW或者结构相变温度在100K-150 K之间^[14]，Fe_1+xTe结构相变大概发生在63K-75 K对应于不同的Fe含量(x值)^[15]。因此，出现超导现象的Fe_1.01Se_0.4Te_0.6单晶样品是否也出现SDW或者结构相变，这是个值得研究的问题。

为了验证在120K附近是否发生结构变化免费论文下载，我们对退火前的单晶样品沿c轴方向做了应变随温度变化的测量。将TDS-102(TML)应变仪连接到PPMS，利用PPMS的变温条件，对应于磁化测量在120K附近的变化，我们测量了样品在105K-130 K温度区间的应变变化。从图4可以看出，在117K，应变曲线发生了一个大的跳变，应变变化值达到600μm/m，也就是说在117K处c方向上的晶格参数变化量达到0.06%，显示样品发生一个结构相变。应变测量结果与磁化-温度曲线的变化有很好的对应，表明在120K附近的磁化异常对应于样品从正交相到三斜相的结构转变。

四、结 论

本文通过自助溶剂法制备了Fe_1.01Se_0.4Te_0.6单晶样品，并且将部分样品在400 °C退火48小时作为对比。对退火前后的两个样品进行了结构和形貌观察，成分分析，以及电阻率、直流磁化等实验测量，发现过量的Fe对超导起抑制作用。同时，通过应变测量，确定了样品在120K附近发生一个结构相变。在40K附近磁化的下降可能是由于过量Fe的自旋冻结所致。

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