通过掺杂和插层调控ZrTe3中电荷密度波与超导电性

Charge density wave and superconductivity were beilived to compete with each other. However, many experimental results disobey this hypothesis. Thus, more new systems are needed to investigate the relationship between superconductivity and charge density wave. ZrTe3, has coexistence of charge density wave (TCDW=63 K) and filamentary superconductivity (TC<2 K), is a good candidate to investigate the relationship between charge density wave and superconductivity. Our previous work discovered that, x = 5 % content of Cu intercalation results in bulk superconductivity. Meanwhile, the charge density wave transition temperature TCDW remains. This proposal plans: 1. We intend to tune charge density wave and superconductivity via continuous doping with same and different family in a periodic table and intercalation. If we combine the structural, doping content or intercalation content, and the obtained TCDW and Tc, we can obtain the phase diagram via continuous tuning.2.Investigate the effects on anisotropic electrical and heat transport properties (a-axis and b-axis) for Zr and Te sites doping. Try to figure out the transport mechanism along the a-axis, b-axis, and their coresponding energy band. Try to explain the energy band bcoresponding to the charge density and superconductivity, respectively. In this proposal, we intend to obtain important experimental evidence of relationship between charge density wave and superconducitvity, and to provide experimental basis for further understanding the nature of superconductivity.

电荷密度波和超导电性被认为是竞争关系，而目前的实验结果对此存在争论。因此，需要在新体系中深入探索两个序的相互关联。ZrTe3，同时具有电荷密度波（电荷密度波转变温度TCDW=63 K）和丝状超导电性（超导转变温度TC<2 K），是一个很好的研究两个序相互关联的体系。我们的前期工作发现，x=5%浓度Cu插层诱导出了体超导电性，而不改变TCDW。本项目计划：1、通过连续的同族掺杂、邻族掺杂以及插层调控ZrTe3中的电荷密度波和超导电性。结合结构、掺杂或插层浓度结果，以及输运测量得到的TCDW和TC结果，得到连续调控的TCDW和TC的相图。2、研究Zr、Te位掺杂分别对a、b轴各向异性电、热输运的影响，澄清a轴、b轴输运机制及各自的对应的能带，并解释电荷密度波和超导电性起源分别所对应的能带。本项目将在电荷密度波与超导电性之间的相互关联方面获得重要实验证据，并为进一步理解超导电性起源提供实验基础。

本项目的研究过程中，我们首先对国内外相关情况进行了充分调研，尤其深入了解了ZrTe3电荷密度波体系的进展情况。ZrTe3体系存在着电荷密度波序，转变在63K附近，还存在一个2K附近的丝状超导转变。本项目在原项目计划书的指导下，通过Hf(Zr位)和Se（Te位）的替代对ZrTe3的Zr和Te位分别进行掺杂，得到了单晶，并发现了完全不同的物理效应：Hf替代不能抑制电荷密度波序，反而10%替代后丝状超导消失，而Se替代则很快抑制电荷密度波，并在ZrTe3-xSex中x=0.04时达到最佳掺杂。Ti（Zr位）和S（Te位）的掺杂被发现比较困难，单晶生长出的组分远低于投料比例。Cu，Ni，Zn等插层实验与邻族掺杂重复多次，发现同一炉出现比例不均现象，没有实现可控比例，无法进行统计研究。另外通过对ZrTe3-xSex的上临界场研究发现其超导电性是沿着a轴而非晶体链轴方向。拉曼结果显示了电荷密度波序消失后，涨落继续存在于超导区域，并给出了电荷密度波和超导的关系相图。我们提出了局域的电荷密度波涨落可能与超导密切相关，而非传统的竞争关系。另外我们也研究了ZrTe5和IrTe2体系。总的来说，对本项目的预期研究方案和结果基本达成。由于观点与传统观点有差异，论文投稿过程中遇到了麻烦，部分论文目前还在审稿过程中。本项目的研究成果对进一步理解电荷密度波和超导相互作用关系提供了非常重要的实验基础。