溶剂热法FeSe基超导材料制备和物性研究

The iron-based superconductors are the recently discovered high-temperature superconducting materials. Among them, the FeSe-based superconductors have attracted considerable attention because of their novel physical properties, however,the rarity of the material types and the lack of high quality samples hindered the more in-depth study. Especially,the FeSe based superconductors with charge carrier layer (for example, potassium atom layer) exist microscopic phase separation above 250 C. Recently, we developed a low-temperature liquid ammonia routine that lead to a new series of FeSe-based intercalating superconductors, which succesfully resolved this dilemma. To overcome the limitation of solvent and intercalating agents in the low temperature intercalation routine and especially to improve the crystallinity of samples, our project intent to develop new FeSe based superconductors and attempt to growth their single crystals based on solvothermal method below 250 C. Based on our extensive experiences in the new superconductor preparation and crystal growth, our 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。相对于铁砷基超导体，铁硒基超导体具有新奇的物理性质，但其材料种类和优质样品的稀缺严重限制了相关研究进展。特别当物性层FeSe与碱金属K等载流子库层结合时，该类高温超导材料在250 C左右会发生微观相分离。近期，由我们提出的液氨插层等室温或更低温度下的合成方法很好的克服了该问题。但低温插层方法仍存在溶剂选择单一，样品结晶性不高等新问题，限制了所获得超导材料的种类和样品质量。本项目以室温至250 C温区内新型FeSe基超导体的探索为研究目标，利用溶剂热方法在该温区内广泛的溶剂、溶质选择以及低温制备亚稳相单晶体的独特优势，探索和制备出无微观相分离且具有较高晶体质量的新型超导材料，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。铁硒基超导体具有新奇的物理性质，但其材料种类和优质样品的稀缺严重限制了相关研究进展。在本项目的支持下，项目组利用溶剂热方法在该低温区制备亚稳相材料的独特优势，在FeSe基超导体研究上做出了部分原创性工作。发表和接受包括Sci. Adv(1篇)、PRB (4篇)、PRM (1篇)和Chem. Comm. (1篇)在内的SCI学术论文17篇。.主要代表性成果包括：.1. 成功利用溶剂热方法，获得了一系列高质量的有机胺及碱金属共插层的FeSe基超导体。基于中子衍射的数据，可靠的解析了该类材料的晶体结构。掺杂后，该类材料的Tc分别可高达45K~46.5K，零场冷曲线10K时超导相含量可达90%。该工作为FeSe基超导研究提供了丰富的材料基础。.2. 基于Lix(PDA)yFeSe材料，项目团队在很宽的掺杂范围内，测量了连续电子掺杂下FeSe层内的结构变化。实验发现，随着电子掺杂的增加，四方Fe晶格保持刚性，但阴离子原子则线性地远离Fe晶格，形成了一个新的FeSe超导Dome。我们的该研究结果提供了电子掺杂的FeSe表现出独特的超导状态的微观图像。.3. 铁基超导体研究中，广受关注的问题之一是超导电性和磁性，晶体结构之间的相互关系。在室温下，我们研究发现FeSe基超导体Na(C3N2H10)Fe2Se2表现出巨大的正交畸变，但没有伴随的磁性有序相，因此提供了一个研究向列相（nematicity）和超导电性之间的相关性的理想平台。基于结构、超导电性及能带理论，我们发现至少在高Tc的硒化铁超导体中，向列相畸变与高温超导性并无密切关联。..项目执行期间，项目团队还应邀撰写了Fe基超导发现10周年的纪念专刊的review文章，综述了近年来发现的一系列FeSe基高温超导材料。项目成果推动了铁基超导材料领域的研究和发展。