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2008年春天铁基超导体发现以来,高压手段在研究这类超导材料中发挥了重要的作用。作者在攻读博士期间正赶上铁基超导体的研究热潮。本文研究工作主要是围绕在高压环境下进行铁基超导材料的特性研究,包括高压下的物性测量和样品合成。在高压实验中主要采用金刚石压砧进行高压下的电阻、磁阻、霍尔和交流磁化率测量,同时还在上海光源和北京高能所同步辐射高压站开展了高压下的x射线衍射和吸收实验,取得了一些有价值的实验结果。本文主要包括以下几部分内容:
第一章绪论部分,回顾了超导物理的发展历程。主要介绍了两类高温超导体,即铜氧化合物超导体和铁基超导体。
第二章,主要介绍了高压技术包括目前高压实验中广泛使用的金刚石压砧技术、高压原位电阻测量技术、高压原位磁阻、霍尔系数和交流磁化率测量技术以及它们在超导研究中的应用。
第三章到第六章是本文的主要内容。第三章,主要介绍了具有“1111”结构的铁基超导体CeFeAsO1-xFx(x=0.16,0.3)压力下的性质。发现压力对CeFeAsO1-xFx(x=0.16,0.3)的超导转变温度有强烈的抑制作用,高压同步辐射X射线衍射实验和吸收实验表明,在所研究的压力范围内没有发生结构相变,Ce的价态几乎没有变化,我们认为在这个体系中超导被抑制是由于近藤效应的竞争关系所致。同时,本章还介绍了“1111”结构的铁基超导体母相PrFeAsO和NdFeAsO压力下的性质,发现它们在压力下没有呈现超导电性。
第四章,介绍了具有‘111”结构的铁基超导体中的NaFeAs和Co掺杂的NaFeAs样品压力下的特性。发现Na1-δFeAs的超导转变温度随压力升高快速下降,在3.3Gpa降到最低。随后,从3.3Gpa到6.6Gpa,Tc快速升高到33K。我们认为,Tc随压力变化的起伏与其压力导致的结构变化相关。NaFe0.98Co0.02Ss在常压下的Tc仅为21K,在准静水压的环境下,超导转变温度升高,在8GPa达到33.8K。这是“111”体系中观察到的最高Tc。随后压力升高超导转变温度开始缓慢下降。通过对NaFe0.98Co0.02AS在不同压力下的电阻曲线的拟合,我们发现,压力下电子散射因子与超导转变温度变化趋势相反,表明在这个体系中,电子散射的加强会削弱超导电性。
第五章,主要介绍了Fe1.05Te在压力下的物性。发现在4GPa的压力下Fe1.05Te发生了同结构塌陷。在10.9Gpa以上,样品发生了由四方相到非晶相的结构相变。这个相变为不可逆相变。这一结论由加压后卸压的样品在透射电镜下的观测所证实。高压输运性能研究表明,Fe1.05Te在压力下没有呈现超导电性。
第六章,主要介绍了新型铁硒基超导体的发现及其结构和相关超导特性。作者利用准静水压和c方向的轴向压力测量了不同压力环境下Rb0.8Ke2Se2单晶的压力响应。相比准静水压,轴向压力能更快的抑制超导电性。相关的能带理论计算表明,c轴方向的压力对Se的Pz能带的影响更大,这与我们的实验结果相吻合。
第七章,是关于拓扑绝缘体Bi2Te3在压力下的超导电性研究。在压力下作者发现了Bi2Te3拓扑绝缘体在没有改变其晶体结构的前提下的超导电性,首次给出了宽压力范围内(2.3Gpa至22.3Gpa)的完整的超导转变温度与压力的相图。通过高压交流磁化率的测量所表现出的抗磁行为,结合零电阻完整的证明了压力下其超导电性的存在。通过高压下的霍尔测量,给出了霍尔系数与超导转变温度的关系。发现8GPa以下,载流子以空穴为主,而在8Gpa以上,载流子以电子为主。