Fe(TeSe)超导薄膜材料的制备及同步辐射研究

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铁基超导体是08年以来新发现的非常规高温超导体,它们具有和铜氧化物高温超导体类似的准二维层状结构,其超导电性的根源和机理经过大量的实验和理论分析,仍没有得到统一的认识。在所有的铁基超导体系中,“11”FeSe体系因为其元素组成简单,还排除了有毒元素As,使得其在铁基超导机理研究和未来应用的研究上有重要的价值,备受研究者的关注。通过Te替换其中的Se,超导转变温度得到了很大的提高。相比于单晶,薄膜材料表现出了更多奇特的性质,超导转变温度也大大超过(30%)块体材料。因此,制备高质量的铁基超导薄膜对探索超导机理并进一步提高超导转变温度有着重要的意义。本文主要是在掺Nb的钛酸锶(SrTiO3)衬底上使用激光脉冲沉积的方法制备高质量的Fe-Te-Se超导薄膜,并对其生长模式和在大气中的氧化效应进行了研究,我的工作主要成果如下:  1.参与了北京同步辐射光电子能谱实验站新系统的全部搭建过程,具体的内容将在本文中展示。  2.在新系统上利用激光脉冲沉积方法制备了一系列不同沉积温度和厚度的高质量的Fe(TeSe)超导薄膜,利用原位同步辐射手段和多种非原位的手段对薄膜进行了系统的表征。  3.实验结果显示在一定的沉积温度范围内,在SrTiO3衬底上沉积的Fe(TeSe)薄膜是否超导只取决于薄膜的厚度,在30nm以上,薄膜具有超导性能,而在30nm以下,在这温度区间内沉积的薄膜全部失去超导性能,沉积温度只改变薄膜的结晶性以及薄膜内部氧族元素的比例,对于薄膜,超导性能最高的配比可能不是块体中对应的FeTe0.5Se0.5,而是Te略少的状态。在薄膜很薄时候失去超导的原因是里面有过量铁,我们系统地表征了铁含量随着厚度的变化趋势以及其在薄膜中的分布情况,提出了薄膜生长过程中可能存在的沙漏机制:在界面处因为应力和衬底氧空位的影响,会形成一个Fe富足的界面层,上层的氧族元素在沉积的过程中会去填充下层的不足区域,导致在薄膜表面会有过量的铁分布,这种效应在薄膜很薄的时候非常明显,当厚度增加到一定厚度以后,薄膜中的铁和氧族元素的比例接近于靶材的组分比。  4.对长时间暴露大气对薄膜性质的影响进行了研究,得出了氧的引入与薄膜中不同位置的各个元素的作用顺序以及作用形式,发现了氧会优先作用于Te/Se层,作用充分后再作用于铁层,只有表面非常薄的一层铁会被氧化到+3价,氧引入到铁层中可能会破坏超导。充分反应后,薄膜中的Te会被氧取代出来,以一种非常不稳定的形式存在于薄膜表面。真空退火和氩离子刻蚀除去氧化层的过程不会对薄膜的引入氧化还原作用。
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