铁基超导体112体系Ca1-xLaxFeAs2单晶的制备及其电输运性能研究

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2013年,研究人员发现了“112”型的新型铁基超导体(Ca,RE)FeAs2(RE=稀土元素),112体系有着很多奇特的物理性质,为研究铁基超导体中的非常规超导电性提供了又一新的平台。与大部分铁基超导体不同,112体系具有对称性较低的单斜晶体结构(空间群P21),有FeAs层、Ca原子层和准一维的As链层构成。FeAs层主要对超导电性起作用,As链层的存在可以在布里渊区内产生具有各向异性的狄拉克锥口袋以及其他体系中不存在的额外3D空穴型口袋,同时,理论计算表明112体系中存在量子自旋霍尔效应与高温超导电性交错夹层,是研究拓扑超导和Majorana模等相关物理特性的理想体系。本论文中,我们主要针对112体系的单晶样品生长及电输运性能进行了系统的实验研究。首先,我们研究了Ca0.8La0.2FeAs2单晶中的Co掺杂效应。研究发现通过La元素与少量Co元素共掺杂的方式可以显著提高单晶样品的质量,随着Co含量的继续增加,Tc逐渐被抑制并且出现122相的化学相分离。随后,我们对高质量的Ca0.8La0.2Fe0.98Co0.02As2单晶样品进行了正常态和超导混合态的的电输运测量,结果发现,在正常态,霍尔系数呈非单调的温度依赖关系,磁电阻在T<175 K下出现Kohler定则的违背,但却符合修订的Kohler定则标度,表明在低温区载流子浓度随温度发生变化或者出现由自旋涨落引起的带间各向异性散射。在混合态,有效钉扎势与磁场的依赖关系H2 T前后有着不同的α值,表明磁通钉扎机制随着磁场的增加发生了改变。同时,通过涡旋玻璃理论发现了涡旋玻璃态到涡旋液态的转变。最后,超导混合态的霍尔效应测量没有发现霍尔符号的变号行为,但霍尔电阻率与纵向电阻率之间仍满足()=A()(β2)的标度关系,这与之前铜氧化物超导体中的很多理论和实验结果相似。接下来,我们研究了112体系的上临界场及其各向异性行为。首先,我们对Ca0.8La0.2Fe0.98Co0.02As2样品进行了角度依赖的电阻测量,利用Ginzburg-Laudau(GL)模型对Tc附近的上临界场各向异性进行了研究。为了得到112体系更加全面的上临界场行为,我们对112体系超导单晶样品进行了脉冲强磁场下(H=60T)的电输运测量,通过WHH模型和双带模型拟合,我们发现112体系的上临界场在ab面内主要受到泡利顺磁效应的影响,而在垂直于ab面方向主要受到轨道效应的影响并展现出多带行为。另外,112体系的上临界场各向异性呈现出明显的非单调行为,随着温度的降低先增加后减小,与GL模型的结果一致。随后,通过转角磁电阻测量对“母体”化合物Ca0.73La0.27FeAs2进行了费米面信息的探究,测量结果表明在Ts/TN以上,不同角度的磁电阻符合2D标度模型,表明顺磁态费米面是准2D的,而在Ts/TN以下,2D标度模型出现了一定程度的违背,需要用考虑费米面各向异性值的3D标度模型进行标度。通过与理论计算及ARPES结果比较,我们推断随着La掺杂含量的增加,112体系布里渊区(38)点周围额外的3D空穴型α能带逐渐消失,同时,“母体”化合物Ca0.73La0.27FeAs2中AFM/结构相变能够引起费米面的重构并导致新的3D费米面出现。最后,我们还发现了低温区域奇异的准线性面内磁电阻并对其起源进行了讨论。最后,采用自助溶剂方法制备出了一系列4d过渡金属Pd掺杂的Ca0.755La0.245Fe1-xPdxAs2单晶样品,通过XRD衍射、EDS元素分析、电阻率、磁化率和霍尔效应测量对其进行了物性表征,得到了完整的电子掺杂相图。我们发现少量的Pd元素(x0.013)掺杂就能再次诱导出Tc28 K的体超导电性,磁滞回线表现出明显的第二峰效应,零场下临界电流密度5.5×105 A/cm2(T=3K),通过分析钉扎力密度与约化磁场的标度行为,结果表明磁通钉扎类型主要为点钉扎。另外,磁光测量结果表明样品中有着均匀的电流分布,临界电流密度大小与Bean模型的计算结果非常吻合。最后,通过不同磁场下的电阻-温度测量,研究了其上临界场及其各向异性和不可逆场的行为,并结合磁化测量得到了磁通相图。
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