AxFe2Se2(A=Na,Ba,Yb)超导体的单晶生长、结构和物性

The iron-based superconductors are the recently discovered high-temperature superconducting materials. Among them, a series of new FeSe-based superconductors A'xFe2-ySe2(A'=K,Rb,Cs,Tl) discovered in 2010 have attracted considerable attention because of their novel physical properties that otherwise not found. However, the existence of microscopic phase separation within these high temperature reacted materials have prevent in depth investigation of the intrinsic properties of these materials. Meanwhile, our recent exploration using low/medium-temperature liquid ammonia routine has lead to a new series of FeSe-based intercalating superconductors, which may serve as a new material platform to resolve this dilemma. Based on our extensive experiences in the new superconductor preparation and crystal growth, our project intent to prepare the single crystal of AxFe2Se2 (A = Na, Ba, Yb) using low temperature alkali metal halide flux method and solvothermal method. The project intent to provide a more ideal experimental platform for the FeSe-based high Tc superconductor investigations, and reveal the superconducting mechanism of such materials.

铁基超导体是近年发现的重要的高温超导材料。其中，2010年末出现了一系列新型FeSe基超导材料A'xFe2-ySe2(A'=K,Rb,Cs,Tl)，因具有其它铁基超导体不具备的新奇物理性质，引起了超导领域的广泛关注。但由于高温合成的该类样品存在微观超导相分离等难以克服的困难，致使人们对其本征物性的研究难以进行。近期，我们通过液氨插层的手段，发现了一系列可低温合成的FeSe基超导体，为解决这一困境提供了全新的思路。本项目以其中部分代表材料AxFe2Se2（A= Na Ba, Yb）的中低温单晶生长为研究目标，充分利用我们在新型超导体制备和晶体生长方面积累的丰富经验，尝试使用溶剂热及碱金属卤化物助熔剂法，制备出无微观相分离的AxFe2Se2（A= Na, Ba, Yb）单晶样品，为FeSe基高温超导体的研究提供更为理想的实验载体。进而系统研究其结构物性，深入揭示该类铁基超导材料的超导机理。

作为宏观量子现象的超导电性具有重要的基础科学价值和巨大的应用前景。在本项目的支持下，项目组成员基于长期积累，在近年受广泛重视的FeSe基超导体研究上做出了部分原创性工作。项目成果推动了铁基超导材料领域的研究和发展。.主要代表性成果包括：..1. 针对KFe2Se2高温样品中存在的绝缘相和超导相微观共存的问题，项目组开展了助溶剂法生长NaFe2Se2单晶样品的研究，成功在NaCl-KCl助溶剂体系内生长出了高质量的(Na/K)xFeySe2晶体，晶体生长温度较之前熔体法大幅降低。ARPES和磁性、电输运等性质测量表明，获得的样品具有较好的结晶质量和约30K的超导转变温度。该工作为进一步优化助溶剂体系，并最终获得超导单相的单晶样品奠定了良好的基础。..2. 成功将碱金属Na插入到FeS层间，得到了一个新颖的化合物NaFe1.6S2。与常见的ThCr2Si2结构不同，NaFe1.6S2形成的是三方CaAl2Si2型结构。计算结果表明，ThCr2Si2类型的NaFe1.6S2在能量上更为有利，但声子谱出现虚频，动力学上不稳定。NaFe1.6S2是一个反铁磁半导体，Neel温度205 K，带隙很窄。样品在TN附近没有结构相变，但晶胞参数c在降温至TN时锐减，表明该转变由c方向上的磁作用导致。另外，NaFe1.6S2在2K以上没有出现超导电性，可能与样品中Fe缺位有关。..3. 基于精确调控碱金属的掺杂量和抑制相分离，确认了K-Fe-Se体系中30K及44K超导相的成分和结构。KxFe2Se2体系由于相分离的复杂性对后续研究造成了很大困扰，为此，项目组将氨热法成功用于调控碱金属的掺杂量和抑制相分离，发现钾插层FeSe化合物中至少存在两个具有完整FeSe层的ThCr2Si2结构超导相。该工作澄清了钾铁硒体系中超导相的成分和结构，为今后进一步的研究奠定了基础。..4. 在获得高质量晶体的基础上，项目组研究了K0.8Fe2-ySe2中Co或Mn元素替代的效应。研究发现，Co或Mn在占位上有截然不同的倾向，因而对超导的抑制机理也大不相同。在K0.8Fe2-xCoxSe2中，Co倾向于进入超导相的晶格，从而快速抑制超导，遵循磁破坏配对机制或费米面嵌套的瓦解。而在K0.8Fe1.7-xMnxSe2中，Mn原子在超导相和245相之间没有择优占位。其对超导的抑制可能源于另一新的富Mn非超导相。