铁基超导体“11”相母体FeTe元素替代效应研究

The iron-based superconductors open up a new way to investigate the mechanism of high-temperature superconductivity. In this system, the magnetic fluctuation is considered to play a key role in mediating superconductivity. Therefore the magnetic origin in parent compounds is one of the most important problems. Among iron-based superconductors, the '11' phase family with the simplest structure and without toxic arsenic element has attracted intense interest. The origin of magnetism in parent compound of this family is unsettled at present: On the one hand, the parent compound Fe1+yTe shares the same Fe building block and the similar Fermi surface topology with iron arsenides, but exhibits different magnetic order from the spin-intensity-wave magnetism in iron arsenides induced by Fermi surface nesting. On the other hand, the same Fermi surface nesting as in iron arsenides is predicted in undoped FeTe by density functional theory calculations. Moreover neutron scattering study reveals the same superconducting spin resonance in '11' family and the iron arsenide superconductors. This complexity is due to the sensitive dependence of magnetism in FeTe upon composition, microstructure and etc. In this project, we plan to investigate the interplay between magnetism and composition or microstructure, through substituting elements for Te, annealing FeTe in various atmospheres and applying pressure on samples. This project is aimed at exploring the magnetic origin in the '11' family, as well as searching new FeTe-related superconducting materials.

铁基超导体为理解高温超导机制提供了新的机遇，在该体系中配对机制被认为与磁涨落密切相关，因此母体中磁性的起源成为研究的焦点。铁基超导体中"11"相以其简单的结构、不含毒性元素砷等特点引起了广泛关注。关于其母体FeTe磁性的起源问题还没有定论：一方面，Fe1+yTe与铁砷超导体母体具有相同的铁格子和类似的费米面，但却表现出与其费米面嵌套引起的自旋密度波磁性不同的磁结构；另一方面，密度泛函计算预言在FeTe（不含过量铁）中存在与铁砷母体相同的费米面嵌套，而且中子散射实验也表明"11"相与铁砷超导体具有相同的超导自旋共振。 导致上述复杂情况的原因是FeTe磁性灵敏地依赖于组分、微结构等性质。本项目通过Te位元素替代、不同气氛条件下退火、外加压力等手段调节FeTe的组分、微结构等，研究磁性与其之间的相互作用，探索"11" 相磁性起源问题，并尝试合成FeTe相关的新型超导材料。

本项目以“11”相铁基超导体及其母体FeTe为研究对象，通过元素替代效应、薄单晶衬底压应力效应、样品的气氛后处理等技术手段调控磁性质、超导电性、结构性质，给出了磁性、超导电性随这些调控参量的变化趋势，结果表明FeTe的磁性质与具有阻挫结构的局域磁性图像更为符合：.1. FeTe:O(x)单晶超导电性的发现及研究。我们发现片状Fe(1.05)Te单晶样品在常温常压条件下，暴露于空气环境中6个月时间以上后会产生超导电性，超导转变温度Tc~9K。研究表明，超导电性仅存在于样品的表层，而且与表层中氧原子的引入有关，氧原子主要存在于Fe-Te层的间隙位置。FeTe中“双共线”（基于局域自旋模型）反铁磁结构在引入氧元素后被抑制，进而诱导出超导电性，预示着FeTe中磁有序的起源与FeAs体系不同，更为符合局域磁性图像。.2. FeTe中元素替代效应对磁有序基态及结构相变的影响：FeTe(1-x)Sb(x)、Fe(1-x)Co(x)Te。研究表明，FeTe中的反铁磁/结构相变温度TN随Co、Sb替代含量增加而逐渐被抑制。然而，在测量温度区间内并未观测到超导电性的产生，取而代之的是在TN以下低温区有自旋玻璃态出现。Co替代离子主要扮演散射中心的角色，而Sb替代离子却起到（空穴）载流子掺杂效果。这些结果与FeAs体系中空穴、电子载流子掺杂均可以抑制磁有序、诱导超导电性不同，预示着FeTe可能与FeAs体系有不同的磁性起源。.3. FeTe(0.5)Se(0.5)薄单晶超导电性的应力调控研究。我们利用胶带对准二维层状超导材料FeTe(0.5)Se(0.5)进行剥离，获得几百纳米厚度的薄单晶。研究发现，由于胶带和薄单晶的热膨胀差异，在降温过程中胶带会对薄单晶产生压应力效应。受压应力影响，超导电性增强，转变温度 T(c) 相比于块材单晶可以提高 ~14%。此外，我们利用ZnCr(2)Se(4) 单晶的磁致伸缩效应，制成FeTe(0.5)Se(0.5)薄单晶衬底，利用磁场调控应力大小，进而调节超导电性。.该项目按期执行、进展顺利，圆满实现预期目标，取得到了较为丰富的实验成果，在Physical Review B、Applied Physics Letters等国际知名SCI学术期刊上发表学术论文7篇。